DE1627545C - Lötverfahren und Vorrichtung zum Verbinden der Kontakte mehrerer Solarzellen - Google Patents

Description

2. Kontaktverbindungselement für das Lötverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zugleich als mechanisches Verbindungselement dienenden Kontaktwinkel (18), der gleichzeitig einerseits die unterseitigen Solarzellenkontakte (14) der ersten parallelgeschalteten Gruppe (16), andererseits die oberseitigen Kontakte (15)

45 Die Erfindung betrifft ein Lötverfahren zum Verbinden der Kontakte mehrerer Solarzellen, mit auf einer Randseite unterseitig und auf der gegenüberliegenden Randseite oberseitig gelegenen Kontakten, von denen zur Bildung von Gruppen aus zwei oder mehreren parallelgeschalteten Solarzellen einerseits die unterseitigen Kontakte und andererseits die oberseitigen Kontakte miteinander verbunden werden und zur Reihenschaltung mehrerer derartiger Gruppen jeweils die unterseitigen Kontakte einer ersten Gruppe mit den oberseitigen Kontakten einer zweiten Gruppe verbunden werden, unter Verwendung von Kontaktverbindungselementen und einer Lötvorrichtung zur Aufnahme der Solarzellen.

Die einzelnen Kontakte von parallel und in Reihe zu schaltenden Solarzellen werden üblicherweise über einzelne Kontaktverbindungselemente verbunden, die jeweils einzeln durch Weichlöten an den Solarzellenkontakten befestigt werden. Dazu wird jede einzelne

Lötstelle mit einem Flußmittel und dem Lot versehen. Als Wärmeträger dient ein von Hand geführter Lötkolben, der zur Herstellung der Lötverbindungen auf jede einzelne Lötstelle aufgelegt wird. Eine derartige

Löttechnik ist aus dem Buch von E. Lud er: Handbuch der Löttechnik, Verlag Technik Berlin, 1952, S. 145 bis 154, 175 und 205 zu entnehmen. Dadurch wird allein das Verbinden der Kontakte zu einem äußerst langwierigen Verfahren, das neben den hohen Fertigungskosten vor allem den Nachteil aufweist, daß auf diese Weise keine reproduzierbaren Lötverbindungen erzielbar sind. Dieses ist einmal durch die manuelle Führung des Lötkolbens und zum anderen durch Schwankungen der den einzelnen Lötstellen zugeführten Wärmeenergie bedingt, die auf Temperaturschwankungen im Lötkolben und unterschiedliche Lötzeiten zurückzuführen sind. Für die Verwendung von Solarzellen, insbesondere in der Weltraumtechnik, sind derartige nicht reproduzierbare Lötverbindüngen ungünstig, da die einzelnen Solarzellen unter- und oberseitig zu kontaktieren und ferner außerordentlich wärmeempfindlich sind. Die Dicke der aufzubringenden Lötschicht darf nur sehr klein sein, da das Lot einen größeren Ausdehnungskoeffizienten als die Solarzelle aufweist und ein stärkerer Lotauftrag letztere zerstören würde. Hinzu kommt, daß an die Lötstellen in Solarzellen Generatoren erheblich höhere Sicherheitsanforderungen gestellt werden müssen. Auch an sich bekannte Lötvorrichtungen sind nicht ohne weiteres verwendbar, sie bieten zwar die Gewähr für reproduzierbare Lötverbindungen, gefährden aber zugleich durch größere Heizzeiten die Solarzellen. Auch eine Lötvorrichtung muß also in besonderer Weise ausgestaltetsein um den geforderten Bedingungen zu entsprechen.

Aus der Fernmeldetechnik ist es ferner bekannt (deutsche Auslegungsschrift 1078198), kammartige Metallstreifen zu benutzen um die kontaktgebenden Enden gedruckter Leitungen zu verstärken. Die Zinken des Metallstreifens werden einseitig mit einem Weichlotauftrag versehen, mit den Leitungen verlötet und von dem Metallstreifen abgetrennt.

Schließlich ist aus dem deutschen Gebrauchsmuster 1778 245 zu entnehmen, daß zur Sicherung einer Verbindungsstelle bei mit Gießharz vergossenen Anschlußgeräten wegen der geringen Haftfähigkeit des Gießharzes an der Leiterummantelung die Anschlußleitung in Bogen oder Schleifen in den Gießharzblock eingelegt wird. Diese dienen somit als Zugsicherung und sollen eine Gefährdung der Verbindungsstelle ausschließen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Lötverfahren zum Verbinden der Kontakte mehrerer Solarzellen zu finden, das unter Beseitigung der aufgezeigten Nachteile den Fertigungsaufwand für das Löten verringert und vor allem die Herstellung reproduzierbarer Lötverbindungen ermöglicht.

Die Aufgabe wird durch ein Lötverfahren mit folgenden Verfahrensschritten gelöst:

a) Zur gleichzeitigen Parallel- und Reihenschaltung wird auf die oberseitigen Kontakte der Solarzellen und auf die mit den unterseitigen Kontakten der Solarzellen zu verbindenden Flächen der Kontaktverbindungselemente jeweils ein Weichlot mit einer Schichtdicke von etwa 30 μτη aufgetragen;

b) auf die Lötflächen der Kontaktverbindungselemente wird in an sich bekannter Weise ein Flußmittel vorzugsweise in gelöster Form aufgetragen;

c) nach Verdunsten des Flußmittel-Lösungsmittels werden die Solarzellen und die Kontaktverbindungselemente derart auf die Lötvorrichtung aufgesetzt und gegen Verschieben gesichert, daß die Lötflächen der Kontaktverbindungselemente mit den unterseitigen und oberseitigen Kontakten der Solarzellen zur Deckung kommen;

d) danach wird die Lötvorrichtung mit den Solarzellen in den Werkstückträger einer an sich bekannten Badlöteinrichtung eingesetzt, deren Badtemperatur etwa auf 240⁰C geregelt ist, wobei die Einsenktiefe in das Lotbad derart gewählt ist, daß dessen Lot etwa nur die Unterseite der Lötvorrichtung berührt und über diese die zur Lötung der Kontakte der Solarzellen erforderliche Wärmemenge auf die Lötflächen überträgt;

e) nach dem Lötvorgang wird die Lötvorrichtung mit den Solarzellen zur Beseitigung von Flußmittelrückständen in ein mit dem Flußmittel-Lösungsmittel versehenes, an sich bekanntes Ultraschallbad geführt.

Das erfindungsgemäße Lötverfahren gestattet die Herstellung reproduzierbarer Lötverbindungen und senkt den Herstellungsaufwand entscheidend, da nun eine Vielzahl von Lötverbindungen gleichzeitig hergestellt werden kann. Zur Einbringung der für das Zustandekommen der einzelnen Lötverbindungen erforderlichen Wärmeenergie bedient sich das Lötverfahren einer an sich bekannten Badlöteinrichtung, die als Lotbad üblicherweise ein Zinnbad enthält. Dieses Zinn wird jedoch nicht als Lot zur Herstellung der Lötverbindungen herangezogen, sondern es dient hier lediglich als Wärmeenergieträger. Damit nun beim Einsetzen der Lötvorrichtung in das Bad mit Sicherheit zuerst die Arbeitstemperatur des Flußmittels und danach die Schmelztemperatur des verwendeten Lotes, dabei jedoch eine möglichst geringe Einwirkzeit der Löttemperatur auf die Solarzellen erreicht wird, wurden im Laufe von Versuchen optimale Ein- und Ausfahrgeschwindigkeiten, sowie eine optimale Haltezeit im Bad ermittelt. Die Einfahrgeschwindigkeit in das Lotbad beträgt vorzugsweise 40 mm/sec, die Haltezeit im Bad 30 see und die Ausfahrgeschwindigkeit aus dem Bad 30 mm/sec.

Zur Durchführung des Lötverfahrens schlägt die Erfindung ein Kontaktverbindungselement vor, das durch einen zugleich als mechanisches Verbindungselement dienenden Kontaktwinkel gekennzeichnet ist, der gleichzeitig einerseits die unterseitigen Solarzellenkontakte der ersten parallelgeschalteten Gruppe, andererseits die oberseitigen Kontakte der zweiten parallelgeschalteten Gruppe, die zu der ersten in Reihe liegt, und zugleich die unterseitigen Kontakte der ersten Gruppe mit den oberseitigen Kontakten der zweiten Gruppe verbindet, mit einem die Lötflächen für die unterseitigen Kontakte bildenden, entlang der Randseiten der ersten Gruppe verlaufenden Kontaktstreifen und mit von dem Kontaktstreifen auf die oberseitigen Kontakte der zur ersten Gruppe in Reihe liegenden zweiten Gruppe führenden Kontaktbrükken, die jeweils einen Ausgleichsbogen aufweisen.

Über diesen Kontaktwinkel lassen sich bei einer einzigen Aufspannung beinahe beliebig viele neben-

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einander zu einer ersten Gruppe angeordnete Solar- Länge der Kontaktwinkel etwa der Breite der Trägeizellen auf ihren unterseitigen Kontakten, entspre- platte entspricht, so sind für die vier Solarzellen auf jechende zu einer zweiten Gruppe zusammengestellte der Längsseite der Trägerplatte zwei Druckstifte vorSolarzellen auf ihren oberseitigen Kontakten und zu- gesehen. Diese Druckstifte können entweder gemeingleich zur Reihenschaltung der ersten und der zweiten 5 sam an einem in Richtung auf die Oberfläche der So-Gruppe die unterseitigen Kontakte mit den nachfol- larzellen einschwenkbaren Portal, oder jeweils an genden oberseitigen Kontakten verbinden. Der Kon- einem eigenen schwenkbaren Träger befestigt sein, taktwinkel wirkt dabei sowohl als elektrisch leitende Die für eine ausreichende Sicherung gegen Verschie-Briicke als auch als mechanisches Verbindungsglied. ben aufzubringende Anpreßkraft wird von einer Fe-Er weist von dem Kontaktstreifen als einem Schenkel io der abgegeben, die am günstigsten im Schwenkgelenk ausgehende einzelne Kontaktbrücken mit jeweils an der Längsseite der Trägerplatte angreift. Es ist aber einem Ausgleichsbogen auf, wobei sich im Schnitt ebenso möglich, im Schwenkgelenk eine Rasterstel- j durch eine der Kontaktbrücken annähernd S-Profil lung vorzusehen und die Federn als Druckfedern den ' zeigt. Der jeweilige Ausgleichsbogen der Kontakt- einzelnen Druckstiften zuzuordnen. Dabei können die brücken läßt Relativbewegungen der einzelnen Solar- 15 Federn zusätzliche Stellelemente zur Einstellung un- j zellen in Richtung der Kontaktbrücken zu. Die Kon- terschiedlicher Federkräfte aufweisen. Die Durch- j taktbrücken können auch aus einer durchhgehenden gangsbohrungen in der Trägerplatte sind vorwiegend ' Einheit bestehen. Im vorliegenden Anwendungsfall auf den Randlinien der einzelnen Solarzellen vorgese- j jedoch empfiehlt sich die Ausbildung einzelner Kon- hen. Dabeiläßt sich eine Sicherung gegen Verschieben i taktbrücken, da einmal das Gewicht des Kontaktwin- 20 zwischen zwei Solarzellen und einem zugeordneten kels klein gehalten werden muß und zum anderen eine Kontaktwinkel zusätzlich dadurch erreichen, daß gewisse Elastizität des Kontaktwinkels auch für even- einige Durchgangsbohrungen in zwischen den Rand- , tuelle Querverschiebungen der Solarzellengruppen ge- Seiten der Solarzellen einerseits und dazu senkrecht | geneinander gefordert ist. verlaufenden Randseiten der Kontaktwinkel anderer-

AIs Werkstoff für die Kontaktwinkel hat sich mit 25 seits gebildeten Ecken angelegt sind. Silber geschichtetes Molybdän, das mit einer als Haft- Vor der Aufnahme der Solarzellen mit den zugrundlage für die Silberschicht dienenden Platinzwi- geordneten Kontaktwinkeln wird an die Unterseite schenschicht versehen ist, als geeignet erwiesen. der Trägerplatte eine Hilfsträgerplatte angelegt, wo-Zur Durchführung des Lötverfahrens schlägt die bei deren feste Führungstifte in die Durchgangsboh-Erfindung weiterhin eine Lötvorrichtung vor, die ge- 30 rangen der Trägerplatte eingeführt werden. Die Fühkennzeichnet ist durch eine Trägerplatte zur Auf- rungsstifte ragen über die Oberfläche der Trägernahme mehrerer hintereinander angeordneter Grup- platte hinaus. Anschließend werden die vorbereiteten pen von Solarzellen, die jeweils aus mindestens zwei Solarzellen und Kontaktwinkel auf die" Trägerplatte nebeneinanderliegenden Solarzellen gebildet sind, aufgelegt, deren genaue Lage zueinander jeweils durch jeweils einen einer Solarzelle zugeordneten, an 35 durch die Führungsstifte bestimmt ist. Nach Einder Längsseite der Trägerplatte schwenkbar befestig- schwenken der Druckstifte auf die Solarzellen wird ten Druckstift, der auf die Fläche der Solarzelle ein- die Hilfsträgerplatte mit den Führungsstiften entfernt, schwenkbar ist und auf diese mittels einer Feder einen Es ist nun eine Fixierung durch die von den Druckstif-Anpreßdruck ausübt, und durch auf den Randlinien ten aufgebrachten Anpreßkräfte gegeben. Die Lötvorder einzelnen Solarzellen in der Trägerplatte angeord- 40 richtung bringt hier den entscheidenden Vorteil, daß nete Durchgangsbohrungen, in die von der Unterseite immer gleiche Abstände zwischen den Solarzellen under Trägerplatte her auf einer entfernbaren Hilfs- tereinander und zu den Kontaktwinkeln vorgegeben trägerplatte befestigte Führungsstifte derart einführ- sind, daß auch die Lage der einzelnen Lötstellen rebar sind, daß diese die einzelnen Solarzellen so lange produzierbar ist. Zugleich schafft die Lötvorrichtung gegen Verschieben sichern, bis die Druckstifte auf die 45 in Verbindung mit der besonderen Ausbildung der Solarzellen aufgesetzt sind. Kontaktverbindungselemente die Voraussetzungen Die Lötvorrichtung kann zur Aufnahme von zwei für eine automatisierte Herstellung der Lötverbindun- oder nahezu beliebig vielen nebeneinander angeord- gen, die von den zwangläufigen Unregelmäßigkeiten neten Solarzellen, die damit etwa die Breite der manueller Lötungen unbeeinflußt ist. Trägerplatte bestimmen, und beliebig vielen hinter- 5° An Hand der Zeichnung soll eine Ausführung der einander angeordneten Parallelgruppen, die damit Lötvorrichtung und der Kontaktwinkel zur Durchfühetwa die Länge der Trägerplatte bestimmen, einge- rung des Lötverfahrens nach der Erfindung gezeigt richtet werden. Es ist jedoch sinnvoll, die Abmessun- werden. F i g. 1 zeigt dazu mehrere Gruppen von Sogen der Trägerplatte so zu wählen, daß diese noch von larzellen, die auf eine Lötvorrichtung aufgelegt sind, dem Werkstückträger der Badlöteinrichtung aufge- 55 Fig.2 zeigt die Lötvorrichtung aus Fig. 1 in einer nommen werden kann. Als Werkstoff für die Träger- Seitenansicht, jedoch ohne Solarzellen. In F i g. 3 ist platte hat sich ein korrosionsbeständiger Chrom- der in F i g. 1 zum Teil sichtbare Kontaktwinkel geNickel-Stahl als geeignet erwiesen, da er von dem ver- zeigt.

wendeten Lot nicht benetzt wird. Die seitlich der In F i g. 1 sind mehrere Solarzellen 10 bis 13 darge-Trägerplatte vorgesehenen, auf die Solarzellen ein- 60 stellt, die jeweils einen auf einer Randseite unterseitig schwenkbaren Druckstifte bestehen an ihrem Stift- gelegenen Kontakt 14 und einen auf der gegenüberlieende vorzugsweise aus Teflon, da bei dieser Werk- genden Randseite oberseitig gelegenen Kontakt 15 stoffwahl eine Beschädigung der Solarzellenoberflä- aufweisen. Die Solarzellen 10 und 11 sind zu einer erchen vermieden ist. Die Anzahl der Druckstifte ent- sten Gruppe 16 parallel geschaltet. Dazu sind ihre spricht dabei der Anzahl der von der Trägerplatte auf- 65 oberseitigen Kontakte 15 wie ihre unterseitigen Konnehmbaren Solarzellen. Ist die Trägerplatte z.B. so takte 14 miteinander verbunden. In der gleichen ausgeführt, daß sie auf ihrer Breite vier Solarzellen ne- Weise bilden auch die Solarzellen 12 und 13 eine beneinander aufnehmen kann, wobei dann auch die zweite parallelgeschaltete Gruppe 17, die ihrerseits in

Claims (1)

1. Patentansprüche:

   1. Lötverfahren zum Verbinden der Kontakte mehrerer Solarzellen, mit auf einer Randseite unterseitig und auf der gegenüberliegenden Randseite oberseitig gelegenen Kontakten, von denen zur Bildung von Gruppen aus zwei oder mehreren parallelgeschalteten Solarzellen einerseits die unterseitigen Kontakte und andererseits die oberseitigen Kontakte miteinander verbunden werden und zur Reihenschaltung mehrerer derartiger Gruppen jeweils die unterseitigen Kontakte einer ersten Gruppe mit den oberseitigen Kontakten einer zweiten Gruppe verbunden werden, unter Verwendung von Kontaktverbindungselementen und einer Lötvorrichtung zur Aufnahme der Solarzellen, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

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   a) Zur gleichzeitigen Parallel- und Reihenschaltung wird auf die oberseitigen Kontakte (15) der Solarzellen (10 bis 13) und auf die mit den unterseitigen Kontakten (14) der Solarzellen (10 bis 13) zu verbindenden Flächen der Kontaktverbindungselemente (18) jeweils ein Weichlot mit einer Schichtdicke von etwa 30 μΐη aufgetragen;

   b) auf die Lötflächen der Kontaktverbindungselemente (18) wird in an sich bekannter Weise ein Fußmittel vorzugsweise in gelöster Form aufgetragen;

   c) nach Verdunsten des Flußmittel-Lösungsmittels werden die Solarzellen (10 bis 13) und die Kontaktverbindungselemente (18) derart auf die Lötvorrichtung (26) aufgesetzt und gegen Verschieben gesichert, daß die Lötflächen der Kontaktverbindungselemente (18) mit den unterseitigen und ober- _4<J seitigen Kontakten (14 und 15) der Solarzellen (10 bis 13) zur Deckung kommen;

   d) danach wird die Lötvorrichtung (26) mit den Solarzellen in den Werkstückträger einer an sich bekannten Badlöteinrichtung eingesetzt, deren Badtemperatur etwa auf 240° C geregelt ist, wobei die Einsenktiefe in das Lotbad derart gewählt ist, daß dessen Lot etwa nur die Unterseite der Lötvorrichtung (26) berührt und über diese die zur Lötung der Kontakte (14, 15) der Solarzellen (10 bis 13) erforderliche Wärmeenergie auf die Lötflächen überträgt;

   e) nach dem Lötvorgang wird die Lötvorrichtung (26) mit den Solarzellen (10 bis 13) zur Beseitigung von Flußmittelrückständen in ein mit dem Flußmittel-Lösungsmittel versehenes, an sich bekanntes Ultraschallbad geführt.

   der zweiten parallelgeschalteten Gruppe (17), die zu der ersten in Reihe liegt, und zugleich die unterseitigen Kontakte (14) der ersten Gruppe (16) mit den oberseitigen Kontakten (15) der zweiten Gruppe (17) verbindet, mit einem die Lötflächen für die unterseitigen Kontakte (14) bildenden, entlang der Randseiten der ersten Gruppe (16) verlaufenden Kontaktstreifen (19) und mit von dem Kontaktstreifen (19) auf die oberseitigen Kontakte (15) der zur ersten Gruppe (16) in Reihe liegenden zweiten Gruppe (17) führenden Kontaktbrücken (20 bis .25), die jeweils einen Ausgleichsbogen (38) aufweisen.

   3. Kontaktverbindungselement für das Lötverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kontaktwinkel (18) aus mit Silber beschichtetem Molybdän mit einer als Haftgrundlage für die Silberschicht dienenden Platinzwischenschicht besteht

   4. Lötvorrichtung für das Lötverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Trägerplatte (27) zur Aufnahme mehrerer hintereinander angeordneter Gruppen (16 und 17) von Solarzellen, die jeweils aus mindestens zwei nebeneinanderliegenden Solarzellen (10,11 bzw. 12, 13) gebildet sind, durch jeweils einen einer Solarzelle (13) zugeordneten, an der Längsseite der Trägerplatte (27) schwenkbar befestigten Druckstift (29), der auf die Fläche der Solarzelle (13) einschwenkbar ist und auf diese mittels einer Feder (37) einen Anpreßdruck ausübt, und durch auf den Randlinien der einzelnen Solarzellen (10 bis 13) in der Trägerplatte (27) angeordnete Durchgangsbohrungen (30), in die von der Unterseite der Trägerplatte (27) her auf einer entfernbaren Hilfsträgerplatte (32) befestigte Führungsstifte (31) derart einführbar sind, daß diese die einzelnen Solarzellen so lange gegen Verschieben sichern, bis die Druckstifte (28,29) auf die Solarzellen (12,13) aufgesetzt sind.