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Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf photovoltaische Vorrichtungen und insbesondere auf das elektrische Verbinden in solchen Vorrichtungen.
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Technischer Hintergrund
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Photovoltaische Vorrichtungen konvertieren optische Energie wie Sonneneinstrahlung in elektrische Energie. Eine photovoltaische Vorrichtung umfasst eine einzelne photovoltaische Zelle oder ein Photovoltaikmodul oder Solarpaneel, das aus einer Schichtstruktur gebildet ist, die wiederum eine Vielzahl photovoltaischer Zellen und Verbindungen sowie schmelzbare Folien zum Kontaktieren und Verschmelzen der photovoltaischen Zellen zu einer laminierten Struktur umfasst. Um einen höheren Ausgangsstrom bereitzustellen zu können, sind einzelne photovoltaische Zellen oder Solarzellen parallel geschaltet; um Energie höhere Ausgangsspannung zu erhalten sind einzelne photovoltaische Zellen oder Solarzellen seriell verschaltet.
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Von der Rückseite kontaktierte photovoltaische Zellen umfassen eine Vielzahl elektrischer Kontakte, die auf der Rückseite angeordnet sind und damit gegenüber der dem Licht zugewandten Vorderseite der photovoltaischen Zelle liegen. Auf der Rückseite sind die photovoltaischen Zellen durch elektrisch leitfähige Bahnen elektrisch miteinander verbunden, wobei die elektrisch leitfähigen Bahnen (Leiterbahnen) an einer elektrisch isolierenden rückseitigen Schicht des Photovoltaikmoduls angeordnet sind. Die leitfähigen Bahnen umfassen elektrische Kontaktstellen zum elektrischen Verbinden der Kontaktanschlüsse einer Anschlussbox, zum Beispiel einer Last oder eines elektrischen Wechselrichters.
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Photovoltaischen Zellen, die nicht von der Rückseite her kontaktiert sind, weisen elektrische Kontaktstellen an der Vorder- und der Rückseite der Zelle auf. Neben den Verbindungen zu den Anschlüssen einer Anschlussbox einer Last, einem Wechselrichter-System oder dergleichen, sind in einem photovoltaischen Modul die Kontaktstellen nebeneinander liegender photovoltaischer Zellen elektrisch über Kontaktanschlüsse in der Form von kleinen Metallstreifen („ribbons“) oder Steckern verbunden.
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In der Praxis werden diese elektrischen Verbindungen durch Löten hergestellt. Löten bezeichnet das Verfahren zum Verbinden eines Kontaktanschlusses mit einer Kontaktstelle durch Verwendung einer Lötlegierung oder einer Lötpaste.
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Die Anschlüsse der Kontaktstellen und der Kontaktanschlüsse müssen mechanisch beständig sein, müssen einen niedrigen Widerstand aufweisen und müssen kosteneffizient herstellbar sein, und zwar sowohl im Hinblick auf die Produktionskosten als auch auf die Materialkosten. Fehlerhafte Lötstellen sind eine der wichtigsten Ursachen beim Ausfall von Geräten, sodass hohe Standards bei der Verarbeitung mittels Löten essentiell sind. Ein ausreichend niedriger elektrischer Widerstand der Lötverbindung und die mechanische Zuverlässigkeit derselben erfordern eine Temperatur des Kontaktanschlusses, der Kontaktstelle und des Lötmaterials ich Höhe oder oberhalb der Benetzungstemperatur. Wenn eine zu starke Wärmebeaufschlagung erfolgt, kann dies jedoch dazu führen, dass die photovoltaische Zelle oder das photovoltaische Modul thermisch überbeansprucht oder überhitzt werden, wodurch eine Beschädigung der Photovoltaikzellen und/oder eine Delamination des photovoltaischen Moduls verursacht werden. Delamination birgt das Risiko von Korrosion der Lötstellen durch das Eindringen von Feuchtigkeit zwischen die delaminierten Schichten des photovoltaischen Moduls, wodurch eine beschleunigte Schädigung der Lötverbindungen verursacht wird. Wenn eine zu geringe Wärmebeaufschlagung erfolgt, dann findet keine ausreichende Benetzung und Verbindung statt, was zur Folge hat, dass mit der Zeit ein Risiko hinsichtlich fehlerhafter Lötstellen entsteht.
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Die
WO 2008/105026 offenbart die Verbindung mehrerer benachbarter Photovoltaikzellen mittels elektrischer Leiterbahnen, sodass ein Solarmodul gebildet wird. Die elektrischen Leitungen und elektrischen Kontakte der Photovoltaikzellen werden mittels eines Punktschweiß-Heizgeräts verbunden.
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Die
JP2011-114205 offenbart ein Solarmodul vom Rückseiten-Kontakt-Typ mit externer und interner Verdrahtung.
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Zusammenfassung
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine mechanisch und elektrisch zuverlässige und haltbare Lötverbindung eines Kontaktanschlusses und einer Kontaktstelle einer photovoltaischen Vorrichtung bereitzustellen, wodurch das Risiko lokalen Überhitzens der photovoltaischen Zellen oder photovoltaischen Module minimiert und eine Fehlfunktion derselben verhindert wird.
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Erfindungsgemäß werden elektrische Kontaktanschlüsse und elektrische Kontaktstellen einer photovoltaischen Vorrichtung mittels eines Verfahrens verbunden, bei dem die Kontaktanschlüsse ein Kontaktteil umfassen, das einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt aufweist und ein im Wesentlichen ebenes Basisteil, bei dem eine Oberflächenseite eine elektrische Kontaktfläche darstellt, sowie zwei gegenüberliegende, voneinander beabstandete erhöhte Schenkelteile, die sich ausgehend vom Basisteil auf einer Oberflächenseite gegenüber der Kontaktfläche erstrecken. Dieses Verfahren umfasst folgende Schritte:
- – Positionierung des Basisteils mit der Kontaktfläche bei der Kontaktstelle,
- – Bereitstellung eines Lotmaterials zum Löten der Kontaktfläche und der Kontaktstelle,
- – Erwärmen des Kontaktteils durch Beaufschlagung mit Wärme, auf zumindest eines der erhöhten Schenkelteile an einer Position, die vom Basisteil entfernt angeordnet ist, wodurch ein Schmelzen des Lotmaterials und ein Verbinden von Kontaktstelle und Kontaktanschluss verursacht wird, und
- – Beaufschlagen mit einer mechanischen Kraft, mit der die Kontaktstelle und die Kontaktoberfläche so lange gehalten werden, bis der Kontaktanschluss und Kontaktstelle miteinander verbunden sind.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass Löten ein lokales Erhitzen von Kontaktanschluss und Kontaktstelle erfordert, um zu verhindern, dass die photovoltaische Zelle und insbesondere die Schicht oder die Schichten organischen Materials im Photovoltaikmodul lokal thermisch überbeansprucht oder überhitzt werden. Mittels Erhitzen des Kontaktteils des Kontaktanschlusses über einen Schenkel, der bezogen auf das Kontaktteil erhöht ist, d.h. bezogen auf dessen Kontaktoberfläche, wird erfindungsgemäß einerseits das Schenkelteil entfernt von der Kontaktstelle, bei welcher die Kontaktoberfläche angeordnet ist, mit Wärme beaufschlagt, wodurch ein direkter Kontakt der Kontaktstelle mit der Wärmequelle effektiv verhindert werden kann; andererseits wird lokal eine Erhitzung erreicht, indem Wärme vom Schenkelteil zu der Kontaktoberfläche des Basisteils des Kontaktteils, das in Kontakt mit der Kontaktstelle steht, übertragen wird.
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Die mechanische Kraft, mit der die Kontaktoberfläche bei der Kontaktstelle gehalten wird, bis der Kontaktanschluss und die Kontaktstelle miteinander verbunden sind, kann mittels einer Heizvorrichtung zum Heizen und/oder mittels eines separaten Haltegeräts realisiert werden, die bzw. das eine ausreichende Haltekraft am Kontaktanschluss zur Verfügung stellen. Sofern eine Heizvorrichtung verwendet wird, um eine Haltekraft bereitzustellen, so ist darauf hinzuweisen, dass diese abgeschaltet und/oder auf eine Temperatur unterhalb der Benetzungstemperatur der Lötstelle abgekühlt werden muss.
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Gemäß einer Ausführungsform erfolgt die Wärmebeaufschlagung von der Seite an das mindestens eine erhöhte Schenkelteil an einer Position, die vom Basisteil entfernt ist.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform erfolgt die Wärmebeaufschlagung zumindest bei einem der erhöhten Schenkelteile entfernt vom Basisteil am Ende des Schenkelteils. Die mechanische Kraft zum Halten der Kontaktoberfläche bei der Kontaktstelle kann durch eine Heizeinrichtung realisiert werden, mittels derer Druckkraft vom Ende des erhöhten Schenkelteils in Richtung der Kontaktoberfläche ausgeübt wird.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird das Kontaktteil des Kontaktanschlusses erwärmt, indem Wärme von beiden erhöhten Schenkelteilen gleichzeitig zugeführt wird, um den Wärmetransfer zur Kontaktoberfläche des Kontaktanschlusses zu fördern.
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Das U-förmige Kontaktteil kann einstückig und in der Nähe des Endes aus einem Streifen elektrisch leitenden Materials gebildet sein.
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Das Erwärmen des Basisteils des Kontaktanschlusses kann von einem oder beiden erhöhten Schenkelteilen mittels Kontakterwärmung oder berührungsloser Erwärmung erfolgen. Durch Kontakterwärmung wird Wärme direkt durch Wärmeleitung von einem Körper auf einen anderen übertragen, wie beispielsweise mit einem herkömmlichen Lötkolben. Berührungslose Erwärmung kann erfolgen durch Nutzung von Strahlungsheizung, Laserheizung oder Hochfrequenzinduktionsleistung durch Wirbelströme, die im Kontaktteil des Kontaktanschlusses mittels einer Hochfrequenz-Energiequelle induziert werden.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders geeignet für Erhitzen mittels Hochfrequenz, wobei die Hochfrequenzquelle beabstandet und entfernt von den photovoltaischen Zellen gehalten wird, wodurch unerwünschte Induktion von Wirbelströmen in den Leitern und elektrisch leitfähigen Schichten sowie den Kontaktstellen innerhalb oder direkt außerhalb der photovoltaischen Zelle effektiv unterbunden oder reduziert werden können. Solche Wirbelströme können beispielsweise die pn-Übergänge der Zelle schädigen.
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Durch Verwendung einer Hochfrequenz-Heizung, die gleichzeitig auf zwei erhöhte Schenkelteile des Kontaktteils des Kontaktanschlusses wirkt, kann ein geschlossener RF-Loop ausgebildet werden, bei dem auch im Kontaktanschluss die Induktion von Wirbelströmen erfolgt, sodass eine relativ schnelle Erwärmung der Kontaktoberfläche, der Kontaktstelle und des Lotmaterials möglich ist.
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Während Kontaktheizung Verschleiß und oxidiertes Material verursacht, beispielsweise an der Spitze eines Lötkolbens, wodurch die Wärmeübertragung behindert und eine Kontamination der Lötstelle verursacht wird, ist die berührungslose Erwärmung, insbesondere die Erwärmung durch Hochfrequenzinduktion ein Verfahren, das beispielsweise ohne Verbrennungsgase und Verbrennungsabfälle stattfindet, wobei Sicherheitsrisiken und Schutzmaßnahmen, die in den meisten Fällen teuer sind und beispielsweise bei Erwärmung mittels Lasern Verwendung finden können, vermieden werden.
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Gemäß einer Ausführungsform wird die Erwärmung mittels Messens der Temperatur des Basisteils kontrolliert und/oder durch die Zeitdauer des Wärmeeintrags in das Basisteil und/oder die zugeführte Wärmemenge. Mittels Hochfrequenzinduktion kann die Erwärmung des Kontaktteils der Kontaktstelle und des Lotmaterials geeigneter Weise über jeden der zuvor genannten Parameter kontrolliert werden, sodass eine dauerhafte und zuverlässige Lötverbindung zur Verfügung gestellt werden kann, während lokale thermische Überhitzung der Kontaktstelle vermieden werden kann. Die Temperatur des Basisteils wird typischerweise mittels eines berührungslosen optischen Pyrometers gemessen, während die Wärmemenge, die mittels Hochfrequenz-Erhitzung eingetragen wird, durch Messung der Energie, die von der Hochfrequenz-Energiequelle zugeführt wird und/oder die Zeitdauer der Zuführung von Energie und/oder einem bestimmten Stromversorgungszyklus oder dergleichen ermittelt werden kann.
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Der maßgebliche Fachmann wird erkennen, dass das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für vollautomatischen oder halbautomatischen Betrieb geeignet ist. Gemäß einer Ausführungsform wird ein Heizgerät für die Zuführung von Wärme und der Kontaktanschluss bei der Kontaktstelle mittels Laserführung positioniert, wodurch Erwärmung von Nicht-Kontakt-Bereichen einer photovoltaischen Zelle oder eines photovoltaischen Moduls vermieden werden und fehlerhafte Lötverbindungen verhindert werden, welche durch eine Fehlausrichtung der Kontaktoberfläche eines Kontaktanschlusses und der Kontaktstelle einer photovoltaischen Vorrichtung verursacht werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform kann eine geeignete Positionierung von Heizgerät und Kontaktanschluss unterstützt werden, wenn für die Heizvorrichtung und den Kontaktanschluss Passformen für eine selbstjustierende Positionierung von Heizgerät und Kontaktanschluss eingesetzt werden. Durch Anordnen der erhöhten Schenkelteile in einer geneigten Form bezogen auf das Basisteil, sodass beispielsweise eine oben offene dreieckige Form, eine L-Form oder eine Trapezform im Querschnitt ausgebildet werden, und durch Zuführung der Wärme durch ein kreisförmiges oder halbkreisförmiges Heizgerät, das seitlich bei zumindest einem der erhöhten Schenkelteile an einer Stelle, die vom Basisteil entfernt ist, angeordnet wird, können hervorragende Selbstausrichtungseigenschaften realisiert werden. Erfindungsgemäß kann das im Verfahren eingesetzte Lotmaterial oder die Lötpaste entweder vorher auf eine oder beide der Kontaktoberflächen oder die Kontaktstelle aufgebracht werden, bevor das Basisteil mit seiner Kontaktoberfläche bei der Kontaktstelle positioniert wird und/oder während des Erwärmens des Kontaktteils des Kontaktanschlusses aufgebracht werden.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Lotmaterial zum Verbinden des Kontaktanschlusses und der Kontaktstelle im Überschuss aufgebracht werden; die Qualität der Lötverbindung kann dann durch visuelle Untersuchung des Lotmaterials, das sich von der Kontaktoberfläche in Umfangsrichtung nach außen erstreckt und von der Kontaktstelle nach dem Verbinden beurteilt werden. Lücken oder schwankende Mengen von Lotmaterial, die sich im Bereich der Verbindung zeigen, können auf Verbindungsfehler zurückzuführen sein, die sich mit der Zeit zu Fehlfunktionen der Lötverbindung entwickeln können.
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Dem Fachmann ist bekannt, dass eine Benetzung nur dann ordnungsgemäß erfolgen kann, wenn die Kontaktoberfläche des Basisteils des Kontaktanschlusses und die Oberfläche der Kontaktstelle, die miteinander verlötet werden sollen, frei von Verunreinigungen und frei von Oxidschichten sind, die sich bei Kontakt der Oberflächen mit Luft bilden. Dementsprechend wird gemäß einer Ausführungsform ein Lötflussmittel auf einem oder beiden der Kontaktoberflächen und der Kontaktstelle vor dem Erwärmen aufgebracht. Art und Zusammensetzung der Bestandteile des Lötflussmittels sind dem Fachmann bekannt und kommerziell erhältlich.
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Der Kontaktanschluss kann in jeder geeigneten Form geformt sein, beispielsweise als Kontaktstreifen, als Verbinder, als einstückig mit einer Anschlussbox ausgebildeter Kontaktanschluss und als Kontaktanschluss einer elektronischen Komponente.
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Es kann vorteilhaft sein, bevor der Lötschritt durchgeführt wird, den Kontakt der Kontaktstellen mit Luft oder anderen atmosphärischen Gasen so lange wie möglich zu verhindern. Dementsprechend umfasst das erfindungsgemäße Verfahren gemäß einer Ausführungsform in der die photovoltaische Vorrichtung ein photovoltaisches Modul aufweist, das eine Vielzahl photovoltaischer Zellen mit einer dem Licht zugewandten Vorderseite und einer Rückseite und einer Vielzahl von elektrischen Kontakten, die mit den elektrisch leitfähigen Leiterbahnen des Photovoltaikmoduls elektrisch verbunden sind, das Freilegen elektrischer Kontaktstellen der leitfähigen Leiterbahnen von einer äußeren Oberflächenseite einer rückwärtigen Schicht des photovoltaischen Moduls her und ein Verlöten der elektrischen Kontaktanschlüsse mit den Kontaktstellen.
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Durch diese Ausführungsform werden Kontamination und Oxidation der Kontaktstellen durch Kontakt mit der umgebenden Atmosphäre solange wie möglich hinausgezögert: bis unmittelbar vor dem eigentlichen Lötvorgang der Kontaktanschlüsse. Weniger verunreinigte Kontaktstellen erfordern die Benutzung von aggressiven chemischen Reinigungsreagenzien im geringeren Umfang verglichen mit stark verunreinigten oder oxidierten Kontaktstellen. Weniger verunreinigte Kontaktstellen können ferner effektiv vorgereinigt werden, indem eine Bürste oder ein anderes abrasives Werkzeug verwendet werden.
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Falls ein Kontakt der Kontaktstellen mit der umgebenden Atmosphäre bis unmittelbar vor dem Lötvorgang nicht möglich ist, wird geraten, die Kontaktstellen mit einem organischen Oberflächenschutzmittel (OSP) oder dergleichen zu bedecken.
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Im Fall eines photovoltaischen Moduls ist es beispielsweise vorteilhaft, eine Anschlussbox an der rückwärtigen Seite der Isolationsschicht zu fixieren, d.h. an der äußeren Oberflächenseite davon, die den elektrisch leitfähigen Leiterbahnen gegenüberliegt, und die Kontaktanschlüsse mit den elektrischen Verbindungselementen der Anschlussbox elektrisch zu verbinden.
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Die Anschlussbox umfasst generell elektronische Komponenten, beispielsweise Halbleiterdioden. Allerdings kann die Anschlussbox auch elektronische Schaltungskomponenten umfassen, wie einen elektronischen Wechselrichter zum Umwandeln von durch die photovoltaischen Zellen des photovoltaischen Moduls gelieferten Gleichstrom in Wechselstrom, zum Verbinden mit einer Last oder zum Verbinden des photovoltaischen Moduls an das Stromnetz.
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Gemäß einem ersten Aspekt wird ein elektrischer Kontaktanschluss offenbart, der für das vorstehend beschriebene erfindungsgemäßen Verfahren eingesetzt werden kann. Dieser Kontaktanschluss umfasst ein Kontaktteil mit einem im Wesentlichen ebenen Basisteil und zwei gegenüberliegende, voneinander beabstandete erhöhte Schenkelteile, die sich ausgehend von dem Basisteil an einer Oberflächenseite erstrecken, die gegenüber der Kontaktfläche liegt. Dieses Kontaktteil weist einen im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt auf, wobei das U-förmige Kontaktteil einstückig ausgebildet ist und in der Nähe des Endes aus einem Streifen aus elektrisch leitfähigem Material gebildet ist.
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Gemäß einem zweiten Aspekt wird ein photovoltaisches Modul offenbart, das eine Vielzahl photovoltaischer Zellen mit einer dem Licht zugewandten Vorderseite und einer Rückseite, eine Vielzahl elektrischer Kontakte, die mit elektrisch leitfähigen Leiterbahnen des photovoltaischen Moduls, das elektrische Kontaktanschlüsse umfasst, verbunden sind, sowie Kontaktanschlüsse, die elektrisch mit den Kontaktstellen auf einer rückseitigen Schicht des photovoltaischen Moduls verbunden sind, wobei Bezug genommen wird auf das vorstehend offenbarte erfindungsgemäße Verfahren.
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Gemäß einer Ausführungsform ist das photovoltaische Modul ein photovoltaisches Modul vom Rückseiten-Kontakt-Typ, wobei die rückseitige Schicht eine elektrisch isolierende rückseitige Schicht ist und wobei die elektrisch leitfähigen Leiterbahnen auf der inneren Oberfläche der rückseitigen Schicht gegenüber den elektrischen Kontakten der photovoltaischen Zellen angeordnet sind.
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Gemäß einem dritten Aspekt wird ein System zum elektrischen Verbinden von elektrischen Kontaktanschlüssen mit elektrischen Kontaktstellen einer rückseitigen Schicht eines photovoltaischen Moduls beschrieben, wobei auf das vorstehend offenbarte erfindungsgemäße Verfahren Bezug genommen wird. Das System umfasst:
- – eine Montagestation, die zur Montage eines photovoltaischen Moduls ausgebildet ist, umfassend eine Vielzahl photovoltaischer Zellen, die eine dem Licht zugewandte Vorderseite und eine Rückseite besitzen und eine Vielzahl elektrischer Kontakte, mit denen elektrisch leitfähige Leiterbahnen eines photovoltaischen Moduls, das die elektrischen Kontaktstellen umfasst, verbunden sind.
- – eine Lötstation, die zum elektrischen Verbinden der elektrischen Kontaktanschlüsse mit den Kontaktstellen ausgebildet ist und
- – eine Befestigungsstation, mit der die elektrischen Kontaktanschlüsse an den elektrischen Verbindungselementen einer Anschlussbox befestigt werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das System ferner eine Freilegungsstation, die eingerichtet ist für die Freilegung elektrischer Kontaktstellen der elektrisch leitfähigen Leiterbahnen durch eine externe Oberflächenseite der genannten rückseitigen Schicht. Die Freilegung der elektrischen Kontaktstellen kann durch Entfernen eines Teils der rückseitigen Schicht und/oder jeglicher dazwischen liegender Schicht erreicht werden, indem Laserablation oder mechanisches Schleifen oder eine dem Fachmann bekannte Entfernungstechnik eingesetzt werden.
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Gemäß einer Ausführungsform umfasst das System ferner eine Materialverformungsstation, die zur Formung des elektrischen Kontaktanschlusses ausgebildet ist, wobei dieser elektrische Kontaktanschluss ein Kontaktteil umfasst mit einem im Wesentlichen ebenen Basisteil, bei dem eine Oberflächenseite eine elektrische Kontaktfläche aufweist, und zwei gegenüberliegende, voneinander beabstandete erhöhte Schenkelteile, die sich ausgehend von dem Basisteil an einer Oberflächenseite gegenüber der Kontaktfläche erstrecken, wodurch ein Kontaktteil mit einem im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt gebildet wird, wobei das U-förmige Kontaktteil einstückig ausgebildet ist und in der Nähe eines Endes aus einem Streifen elektrisch leitfähigen Materials gebildet ist.
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Gemäß einem vierten Aspekt wird eine Lötstation beschrieben, die zum elektrischen Verbinden elektrischer Kontaktanschlüsse mit elektrischen Kontaktstellen einer photovoltaischen Vorrichtung ausgebildet ist, wobei bezüglich der Details auf das vorstehend offenbarte erfindungsgemäße Verfahren Bezug genommen wird.
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Der Ausdruck „im Wesentlichen U-förmig“ oder „U-förmiger Querschnitt“, der in der Beschreibung und in den Ansprüchen in Verbindung mit dem Kontaktteil eines Kontaktanschlusses verwendet wird, ist im Licht der vorliegenden Erfindung und der beigefügten Ansprüche in seiner breitesten Bedeutung zu verstehen, die oben offene dreieckige und trapezförmige Querschnitte und dergleichen einschließt, wobei auch erhöhte Schenkelteile mit gleichen oder verschiedenen Abmessungen, insbesondere gleichen oder verschiedenen Längen, vorliegen können.
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Der Ausdruck „im Wesentlichen ebenes Basisteil“, der in der Beschreibung und in den Ansprüchen bezogen auf das Kontaktteil eines Kontaktanschlusses verwendet wird, ist im Lichte der vorliegenden Erfindung und der beigefügten Ansprüche in seiner breitesten Bedeutung zu verstehen, wobei Basisteile mit einer ebenen, leicht gebogenen, mit Grübchen versehenen oder einer anderen nicht-glatten Oberfläche eingeschlossen sind.
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Gemäß dem Verfahren, gemäß dem elektrischen Kontaktanschluss, gemäß dem photovoltaischen Modul, gemäß dem System zum elektrischen Verbinden elektrischer Kontaktanschlüsse und gemäß der Lötstation, die in den vorliegenden Aspekten beschrieben sind, kann das Kontaktteil – soweit zutreffend – auch ein einzelnes Schenkelteil, das bezogen auf das Basisteil erhöht ist, den im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt ersetzen. Dabei handelt es sich um ein Kontaktteil mit einem im Wesentlichen ebenen Basisteil, bei dem eine Oberflächenseite eine elektrische Kontaktfläche aufweist und das nur ein erhöhtes Schenkelteil umfasst, das sich ausgehend von dem Basisteil an einer Oberflächenseite gegenüber der Kontaktfläche erstreckt.
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Die Erfindung wird nachfolgend noch detaillierter anhand von spezifischen Ausführungsformen beschrieben unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, wobei gleiche oder ähnliche Teile und/oder Komponenten mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. Die Erfindung wird in keinster Weise durch die offenbarten Ausführungsformen eingeschränkt.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt schematisch und nicht maßstabsgetreu einen Querschnitt durch einen Teil eines photovoltaischen Moduls nach dem Stand der Technik.
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2 zeigt schematisch und nicht maßstabsgetreu einen Querschnitt eines Teils eines photovoltaischen Moduls vom Rückseiten-Kontakt-Typ nach dem Stand der Technik.
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3 zeigt schematisch und nicht maßstabsgetreu ein perspektivisches und teilweise mittels Explosionszeichnung dargestelltes photovoltaisches Modul mit Rückseiten-Kontakt gemäß 2 nach dem Stand der Technik.
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4 zeigt schematisch und nicht maßstabsgetreu das photovoltaische Modul gemäß 3 nach dem Stand der Technik von der Rückseite her.
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5 zeigt schematisch und nicht maßstabsgetreu einen perspektivischen Blick auf eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen elektrischen Kontaktanschlusses.
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6 bis 9 illustrieren schematisch und nicht maßstabsgetreu das erfindungsgemäße Verfahren bezogen auf den elektrischen Kontaktanschluss gemäß 5.
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10 zeigt schematisch und nicht maßstabsgetreu den elektrischen Kontaktanschluss gemäß 5, der mit einer Kontaktstelle gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren verlötet ist, in der Draufsicht.
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11 bis 15 illustrieren schematisch und nicht maßstabsgetreu das erfindungsgemäße Verfahren mittels selbstausrichtender Kontaktanschlüsse und Heizgeräte.
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16 zeigt schematisch und nicht maßstabsgetreu das photovoltaische Modul gemäß 2, das einen Kontaktanschluss gemäß 5 umfasst im Querschnitt.
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17 zeigt in einer sehr schematischen und illustrativen Art und Weise ein System zum elektrischen Verbinden von elektrischen Kontaktanschlüssen mit elektrischen Kontaktstellen einer rückseitigen Schicht eines photovoltaischen Moduls gemäß der Erfindung.
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Ausführliche Beschreibung
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1 zeigt in einem schematischen Querschnitt, der nicht maßstabsgetreu ist, einen Teil einer photovoltaischen Vorrichtung in Form eines photovoltaischen Moduls oder Solarmoduls 1 gemäß dem Stand der Technik. Dieses umfasst eine Anschlussbox 2, die an einem photovoltaischen Modul 1 an einer externen Rückseite 12 gegenüber einer dem Licht zugewandten Vorderseite 13 des photovoltaischen Moduls 1, mit der optische Strahlung aufgenommen wird, zum Beispiel Solarstrahlung, verbunden ist. Das photovoltaische Modul 1 umfasst eine Vielzahl von plattenförmigen oder planaren polygonalen photovoltaischen Zellen oder Wafern 3, die aneinander angrenzend in einem Array oder einer Matrix von photovoltaischen Zellen angeordnet sind und in eine Schicht 4 aus organischem Material, wie beispielsweise Ethylenvinylacetat (EVA) eingebettet sind. Auf seiner dem Licht zugewandten Vorderseite 13 umfasst das photovoltaische Modul 1 eine transparente Deckschicht oder Platte 5, die beispielsweise aus Glas gebildet ist, und einen Träger oder eine rückseitige Schicht 6 auf der Rückseite 12.
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Die photovoltaischen Zellen 3 umfassen auf ihren, dem Licht zugewandten Vorderseiten 14 und den Rückseiten 15 eine Vielzahl elektrischer Kontakte (nicht gezeigt), die elektrisch mit den elektrisch leitfähigen Leiterbahnen 7, 8 auf beiden Seiten, der Vorderseite und der Rückseite 14, 15 elektrisch verbunden sind. Benachbarte photovoltaische Zellen sind miteinander durch elektrische Kontaktanschlüsse oder Streifen oder Stege aus elektrisch leitfähigem Material, das die elektrisch leitfähigen Leiterbahnen 7 und 8 verbindet, miteinander verbunden. Elektrisch leitfähige Kontaktanschlüsse oder Streifen oder Stege 17 aus elektrisch leitfähigem Material verbinden die in Serie geschalteten photovoltaischen Zellen mit Verbindungsanschlüssen 11 der Anschlussbox 2 über eine Öffnung oder einen Schlitz 10 in der rückseitigen Schicht 6 und der Schicht 4 aus organischem Material. Die Kontaktanschlüsse 16 und 17 sind mit den leitfähigen Leiterbahnen 7 und 8 an den Kontaktstellen 18 bzw. 19 verlötet.
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Die elektrisch leitfähigen Leiterbahnen 7, 8 und die Kontaktstellen 16, 17 sind typischerweise aus Kupfer, Silber, Aluminium oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material gebildet.
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2 zeigt in einem nicht maßstabsgetreuen schematischen Querschnitt einen Teil eines photovoltaischen Moduls oder Solarpaneels 21 des sogenannten Rückseiten-Kontakt-Typs. Sie umfassen plattenförmige oder planare polygonale photovoltaischen Zellen oder Wafer 22, die nebeneinander als Array oder Matrix photovoltaischer Zellen angeordnet sind, wobei jede Zelle eine dem Licht zugewandte Vorderseite oder vordere Oberfläche 23 und eine Rückseite oder rückseitige Oberfläche 24 gegenüber der Vorderseite 23 aufweisen. Die photovoltaischen Zellen 22 sind vom Rückseiten-Kontakt-Typ, was bedeutet, dass die elektrischen Kontakte 25 zum elektrischen Verbinden der photovoltaischen Zelle 22 ausschließlich auf der Rückseite 24 der photovoltaischen Zelle 22 angeordnet sind. Die elektrischen Kontakte 25 können beispielsweise als punktförmige Kontaktstellen ausgebildet sein und sind üblicherweise aus Lötlegierungen oder elektrisch leitfähigen Pasten hergestellt und umfassen beispielsweise Kupfer- oder Silbermaterialien, Aluminium und Mischungen derselben.
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Die Anordnung photovoltaischer Zellen 22 bildet eine erste ebene Schicht von photovoltaischen Modulen 21, die in eine zweite Schicht 26 aus organischem Material eingebettet ist, welches durch eine erste aufschmelzbare Folie oder ein erstes Verkapselungsmittel oder ein Thermoplast oder Duroplast gebildet ist, das geeignet ist, durch Erwärmen bei einer Temperatur oberhalb einer bestimmten Grenztemperatur zu verschmelzen, beispielsweise ein Material wie EVA oder ein alternatives Material wie beispielsweise ein duroplastisches Folienmaterial.
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Die zweite Schicht 26 umfasst Aussparungen oder Löcher für die Kontakte 25 der photovoltaischen Zellen 22, die elektrisch mit leitfähigen Leiterbahnen, Drähten oder Stegen 27 auf einer Oberfläche einer elektrisch isolierenden planaren Verbindungsfolie oder rückseitigen Folie oder rückseitigen Schicht 28 verbunden sind, die zusammen eine äußere dritte ebene Schicht des photovoltaischen Moduls 21 bilden. Ein typisches Material für die Verbindungsfolien oder Rückseitenfolien ist ein Laminat aus Polyethylenterephthalat (PET) und TEDLAR® auf welchen die elektrisch leitfähigen Bahnen fixiert sind. Das Laminat kann eine Schicht umfassen, die für die mechanische Festigkeit und mechanischen Halt benötigt wird, weil die Verbindungsfolie in hohem Maße undehnbar sein sollte. Zusätzlich kann das Laminat eine Schicht umfassen, die als Feuchtigkeitsbarriere und/oder als Lötmaske, die als Isolationsschicht wirkt, dienen kann (nicht gezeigt). Die elektrisch leitfähigen Leiterbahnen 27 sind typischerweise aus Kupfer, Silber, Aluminium oder einem anderen elektrisch leitfähigen Material gebildet, wobei Mischungen elektrisch leitfähiger Materialien eingeschlossen sind.
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Gegenüber der Vorderseite 23 der photovoltaischen Zellen 22, ist eine vierte planare Schicht 29 aus organischem Material angeordnet. Diese vierte Schicht 29 ist transparent und wird aus einer zweiten Schmelzbahnfolie oder einem zweiten Verkapselungsmaterial aus einem Thermoplasten oder Duroplasten gebildet, die geeignet ist, zu verschmelzen, wenn sie auf eine Temperatur oberhalb einer bestimmten Grenztemperatur erwärmt wird. Ein typisches zweites Verkapselungsmaterial ist ebenfalls EVA oder ein alternatives Material wie beispielsweise ein duroplastisches Folienmaterial.
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Eine fünfte Schicht 30, die ein transparentes oder transluzentes (das heißt lichtdurchlässiges) Deck-Paneel umfasst, beispielsweise ein Glasmaterial, bildet eine externe Schicht, um die photovoltaischen Zellen und die elektrischen Verbindungen gegen Dreck, Feuchtigkeit und andere Verunreinigungen zu schützen und eine ausreichende physikalische Festigkeit des photovoltaischen Moduls 21 zu gewährleisten. Die fünfte Schicht 30 kann antireflexive Eigenschaften aufweisen oder strukturierte Oberflächen, um einfallendes Licht innerhalb des photovoltaischen Moduls 21 einzufangen.
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Die elektrisch leitfähigen Leiterbahnen 27 sind elektrisch mittels elektrisch leitfähiger Streifen, Bänder oder Kontaktanschlüsse 33 mit den Verbindungsanschlüssen 11 einer Anschlussbox 2 verbunden, die auf einer Außenseite oder äußeren Seite oder Rückseite 31 der Rückseitenschicht 28 des photovoltaischen Moduls 21 angeordnet sind, also gegenüber der dem Licht zugewandten Vorderseite 32. Die elektrischen Kontaktanschlüsse 33 erstrecken sich durch einen Schlitz oder eine Öffnung 34 in der rückseitigen Schicht 28 und der zweiten Schicht 26 und sind mit Kontaktstellen 35 der leitfähigen Leiterbahnen 27 verlötet.
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3 zeigt nicht maßstabsgetreu ein photovoltaisches Modul 39 vom Rückseiten-Kontakt-Typ gemäß 2 in einer perspektivischen Form, die teilweise als Explosionsdarstellung gezeigt ist aus dem Blickwinkel der dem Licht zugewandten Vorderseite 32 des photovoltaischen Moduls. Die zweite und die vierte Schicht 26 und 29 sind in 2 aus Klarheitsgründen weggelassen. Obwohl nur vier photovoltaische Zellen 22 gezeigt werden, weiß der Fachmann, dass in der Praxis die Dimensionen hinsichtlich Länge und Breite eines photovoltaischen Moduls zwischen 0,3 und 2 m variieren können, während die Länge und Breite einer photovoltaischen Zelle sich im Bereich von 5 bis 30 cm bewegen. Ein photovoltaisches Modul üblicher Dimensionen umfasst typischerweise bis zu 50 photovoltaische Zellen.
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4 zeigt nicht maßstabsgetreu das photovoltaische Modul 39 gemäß 3 von der Rückseite 31 des Moduls und die leitfähigen Leiterbahnen 27 zum Verlöten mit den elektrischen Kontaktanschlüssen 33. Die Kontaktstellen 35 sind aus der rückseitigen Schicht 28 in Form eines Schlitzes oder einer Öffnung 34, der in der rückseitigen Schicht 28 vorgesehen ist, freigelegt. Aus Klarheitsgründen werden die elektrischen Kontaktanschlüsse 33 und die Anschlussbox 2 in dieser Figur nicht gezeigt. In der Praxis werden mehr als zwei Kontaktstellen 35 zum Verlöten mit den Kontaktanschlüssen 33 freigelegt.
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Eine Ausführungsform eines elektrischen Kontaktanschlusses 40, das bei dem erfindungsgemäß beschriebenen Verfahren Verwendung findet, ist schematisch und perspektivisch sowie nicht maßstabsgetreu in 5 gezeigt.
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Der Kontaktanschluss 40 umfasst ein Kontaktteil 41 mit einem im Wesentlichen U-förmigen Querschnitt und umfasst ein im Wesentlichen ebenes Basisteil 42, das an der äußeren Oberfläche 43 eine elektrische Kontaktoberfläche umfasst und ferner zwei gegenüberliegende, voneinander beabstandete erhöhte Schenkelteile 44, 45, die sich auf dem von dem Basisteil 42 an einer Oberflächenseite 46 desselben gegenüber der Kontaktoberflächenseite 43 erstrecken. Ausgehend von dem Schenkelteil 44 erstreckt sich ein langgestreckter, ebener Streifenabschnitt 47 in entgegengesetzter Richtung von dem anderen Schenkelteil 45. In ähnlicher Weise erstreckt sich vom Schenkelteil 45 ein langgestreckter, ebener Streifenabschnitt 48 in entgegengesetzter Richtung vom Schenkelteil 44. In der gezeigten Ausführungsform ist der Streifenabschnitt 47 signifikant länger als der Streifenabschnitt 48.
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Der elektrische Kontaktanschluss 40 ist als einzelnes, einstückiges Bauteil ausgebildet, das aus einem elektrischen leitfähigen Material wie beispielsweise Kupfer, Silber, Aluminium oder Legierungen hiervon, gebildet ist. Gemäß einer konkreten Ausführungsform hat der Kontaktanschluss 40 zum Verbinden der Kontaktstellen 35 eines photovoltaischen Moduls 39 vom Rückseiten-Kontakt-Typ (gezeigt in den 2, 3 und 4) eine Dicke von etwa 150 bis 250 µm, während der Streifenabschnitt 47 etwa 4 bis 5 cm länger ist und der Streifenabschnitt 48 eine Länge von etwa 0,5 cm besitzt, beide eine Breite von etwa 0,5 cm aufweisen und wobei die erhöhten Schenkelteile 44, 45 etwa 1 bis 3 mm dick sind. Einem Fachmann ist geläufig, dass andere Dimensionen, abhängig von der vorliegenden photovoltaischen Vorrichtung, möglich sind.
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Das erfindungsgemäße Verfahren wird nun anhand der 6 bis 10 allgemein veranschaulicht, wobei auf die Ausführungsform des elektrischen Kontaktanschlusses 40, der in 5 gezeigt ist, Bezug genommen wird. 6 bis 9 zeigen den Kontaktanschluss 40 in einer Seitenansicht, jeweils mit einer elektrischen Kontaktstelle 35 verlötet, die ebenfalls in der Seitenansicht gezeigt ist. Das Lötmaterial wird mittels des Referenzzeichens 50 bezeichnet.
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In allen gezeigten Figuren ist die elektrische Kontaktoberfläche 43 des Basisteils 42 des elektrischen Kontaktanschlusses 40 gegenüber der Kontaktstelle 35 positioniert und ein Lotmaterial 50 zum Verbinden des Kontaktanschlusses 40 über sein Basisteil 42, das heißt die elektrische Kontaktoberfläche 43 desselben, mittels eines Lötschritts mit der Kontaktstelle 35 verbunden. Mit Bezug auf die 1 und 2 wird ersichtlich, dass die Kontaktstelle 35 durch einen Teil einer Oberflächenseite der elektrisch leitfähigen Leiterbahnen gebildet wird.
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Löten ist das Verfahren, einen Kontaktanschluss und eine Kontaktstelle mittels einer Lötlegierung oder einer Lötpaste zu verbinden, beispielsweise einer Kombination aus Zinn und Blei, beispielsweise in einem Zinn-/Blei-Verhältnis von 50/50, 60/40 oder 63/37. Der Lötprozess wird durch Erhitzen des Kontaktanschlusses 40, der Kontaktstelle 35 und des Lotmaterials 50 auf oder über die Benetzungstemperatur realisiert. Abhängig vom Typ des Lötmaterials oder der Lötpaste 50 werden Temperaturen in einem Bereich von deutlich über 190°C und sogar bis zu etwa 300°C benötigt, um einen genügend niedrigen elektrischen Widerstand der Lötverbindungen und eine angemessene mechanische Verlässlichkeit der Lötverbindung zu realisieren. Allerdings kann insbesondere bei photovoltaischen Modulen des in den 1 und 2 gezeigten Typs bei solchen Temperaturen eine Delamination zwischen der rückseitigen Schicht 6 und der Schicht aus organischem Material 4 (gezeigt in 1) auftreten oder zwischen der rückseitigen Schicht 28 und der Schicht 26 aus organischem Material, wie sie in 2 gezeigt ist. Delamination birgt das Risiko der Korrosion der Lötverbindungen aufgrund von eindringender Feuchtigkeit oder anderen Verunreinigungen zwischen die delaminierten Schichten des photovoltaischen Moduls in sich, wobei eine beschleunigte Verschlechterung der Lötverbindung verursacht wird. Wenn eine zu große Wärmebeaufschlagung erfolgt, kann dies auch eine lokale thermische Überbeanspruchung oder Überhitzung der photovoltaischen Zelle verursachen, wodurch eine Schädigung der photovoltaischen Zelle eintritt. Beispielsweise werden bei dem photovoltaischen Modul 21 vom Rückseiten-Kontakt-Typ durch Beaufschlagung mit zu großer Hitze die elektrisch leitfähigen Leiterbahnen 27 von der rückseitigen Schicht 28 abgelöst, wodurch ein verstärktes Risiko der Beschädigung oder des Brechens der leitfähigen Leiterbahnen einhergeht. Es ist offensichtlich, dass bei der Zuführung von zu wenig Hitze keine ausreichende Benetzung und Bindung stattfinden kann, was das Risiko fehlerhafter Lötstellen im Lauf der Zeit nach sich zieht.
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Erfindungsgemäß wird durch Erhitzen des Basisteils 42, des Lotmaterials 50 und der Kontaktstelle 35 mittels zumindest eines der erhöhten Schenkelteile 44, 45 des Kontaktanschlusses 40 durch Wärmebeaufschlagung zumindest eines der beiden erhöhten Schenkelteile 44, 45 an einer Position fern des Basisteils 42, die Wärmequelle bezogen auf die rückseitige Schicht 6 oder 28 der photovoltaischen Module 1, 21 oder 31 auf angemessenen Abstand gehalten während die Hitze effektiv zugeführt wird und die Wärme lokal von den erhöhten Schenkelteilen 44, 45 zu dem Basisteil 42 des Kontaktanschlusses 40, dem Lotmaterial 50 und der Kontaktstelle 35 transferiert, womit Wärmeübertrag zu der Rückseitenschicht oder die organische Schicht, in die die photovoltaischen Zellen eingebettet sind, effektiv vermieden oder zumindest effektiv reduziert werden kann. Es versteht sich, dass das Risiko der Delamination der Schichten durch lokale Überhitzung erheblich reduziert oder sogar vermieden werden kann.
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6 veranschaulicht die Beaufschlagung mit Wärme durch eine Wärmequelle oder ein Wärmegerät 51 auf die Streifenbereiche 47 und 48 beider erhöhten Schenkelteile 44 und 45 des Kontaktanschlusses 40. Dies erfolgt an den Enden der erhöhten Schenkelteile 44, 45 an einer Position fern des Basisteils 42. 7 zeigt die Beaufschlagung mit Wärme durch ein Wärmegerät 41 auf beide erhöhten Schenkelteile 44 und 45 über die Außenseite derselben, wobei die Heizvorrichtung 51 direkt unterhalb der Streifenbereiche 47 und 48 des Kontaktanschlusses 40 angeordnet ist und damit fern des Basisteils 42. 8 veranschaulicht die Wärmebeaufschlagung durch eine Heizvorrichtung 51 auf beide erhöhten Schenkelteile 44 und 45 über eine Innenseite derselben, also der Seite innerhalb des im Wesentlichen U-förmigen Kontaktteils 41 des Kontaktanschlusses 40 in der Nähe der Streifenbereiche 47 und 48 des Kontaktanschlusses 40. 9 zeigt die Wärmebeaufschlagung über eine Wärmequelle oder eine Heizvorrichtung 52, die nur an einem einzelnen erhöhten Schenkelteil 44 (oder 45) angeordnet ist, wobei sich Heizvorrichtung 52 in der Nähe des Streifenbereichs 47 (oder 48) befindet.
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Um zu einer zuverlässigen Lötverbindung zu gelangen, wird, nachdem das Lotmaterial 52 aufgeschmolzen ist, zum Beispiel die Heizvorrichtung 51, 52 vom Kontaktanschluss 40 wegbewegt oder ausgeschaltet, da das Lotmaterial 50, das Basisteil 42 und die Kontaktstelle 35 abkühlen sollen. Zumindest während dieser Phase sollte eine mechanische Kraft einwirken, um das Basisteil 42 zu halten, d. h. die Kontaktfläche 43 desselben in Bezug auf Kontaktstelle 35 bis das Basisteil 42, d. h. der Kontaktanschluss 40 und die Kontaktstelle miteinander verbunden sind. Diese mechanische Kraft ist schematisch durch die Pfeile 43 angedeutet.
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In 6 kann die Beaufschlagung mit der mechanischen Kraft 53 direkt durch die Heizvorrichtung 51 auf die erhöhten Schenkelteile 44, 45 über die Streifenbereiche 47, 48 erfolgen. In den 7 bis 9 kann die Beaufschlagung mit mechanischer Kraft 53 in gleicher Weise erfolgen, wobei eine separate mechanische Vorrichtung genutzt wird, die schematisch mit dem Referenzzeichen 54 bezeichnet ist und die an der Heizvorrichtung 51, 52 befestigt sein kann oder separat hiervon vorliegt. Die mechanische Kraft 43 kann zusätzlich oder alternativ auf die Oberflächenseite 46 des Basisteils 42 einwirken.
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Wie bereits in der obigen Zusammenfassung diskutiert, kann das Basisteil 42 des Kontaktanschlusses 40 über Kontaktheizung oder berührungslose Erwärmung oder beides erwärmt werden. Durch Kontaktheizung wird Wärme direkt auf die erhöhten Schenkelteile 44, 45 mittels Wärmeleitung von der Heizvorrichtung 51, 52 übertragen, die in direktem mechanischen Kontakt mit den erhöhten Schenkelteilen 44, 45 steht. Berührungsloses Erwärmen erfolgt mittels Strahlungsheizung, Laserheizung oder Hochfrequenzinduktionsheizung mittels Wirbelströmen, die im Kontaktteil 42 des Kontaktanschlusses 40 durch die Hochfrequenzenergiequelle als Heizvorrichtung erzeugt werden.
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Durch gleichzeitiges Erhitzen der zwei erhöhten Schenkelteilen 44, 45 des Kontaktteils 41 des Kontaktanschlusses 40 durch die Hochfrequenzheizung wird eine geschlossene Hochfrequenzschleife ausgebildet, die das Kontaktteil 41 einschließt, um darin Wirbelströme zu induzieren. Hierdurch wird eine relativ schnelle Erwärmung der Kontaktfläche 43, der Kontaktstelle 35 und des Lotmaterials 50 ermöglicht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ist bei Verwendung einer Hochfrequenzheizung besonders geeignet, da die Hochfrequenzheizeinrichtung entfernt von der Kontaktfläche 43 und den Kontaktstellen 18, 19, 35 und der photovoltaischen Vorrichtung 1, 21, 39 gehalten wird, wodurch unerwünschte Induktion von Wirbelströmen in den leitfähigen Leiterbahnen 7, 8, 27 – außer lokal in den Bereichen, die für den Lötprozess benötigt werden – oder den Kontakten 25 oder Kontaktstellen innerhalb oder direkt außerhalb der photovoltaischen Zelle 3, 22 effektiv verhindert oder vermindert werden. Diese Wirbelströme können beispielsweise die pn-Übergänge einer photovoltaischen Zelle schädigen.
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10 zeigt schematisch und nicht maßstabsgetreu den Kontaktanschluss 40, der mit einer Kontaktstelle 35 verlötet ist in der Draufsicht. Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist zum Verbinden des Kontaktanschlusses 40 mit der Kontaktstelle 35 Lotmaterial 50 im Überschuss aufgebracht. Beim Löten wird sich das Lotmaterial nach außen, seitwärts vom Basisteil 42 des Kontaktanschlusses 40 ausbreiten. Die Qualität der Lötverbindung kann nun bis zu einem gewissen Grad über optische Überprüfung der Menge an Lotmaterial, das sich vom Basisteil 42 aus erstreckt, beurteilt werden. Wenn sich kein oder wenig Lotmaterial 50 vom Basisteil 42 nach außen erstreckt, dann kann es sein, dass die Lötverbindung nicht ausreichend ist. Natürlich kann man auch den elektrischen Widerstand zwischen dem Kontaktanschluss 40 und der Kontaktstelle 35 messen und/oder eine bestimmte mechanische Kraft einwirken lassen, um die mechanische Festigkeit der Lötverbindung zu testen.
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Dem Fachmann ist bekannt, dass das genannte Lotmaterial 50 während und/oder vor dem Erwärmen des Kontaktanschlusses aufgebracht werden kann, und zwar auf einem oder beiden der Kontaktflächen 43 und der Kontaktstelle 35 bevor das Basisteil 42 mit seiner Kontaktfläche 43 bei der Kontaktstelle 35 positioniert wird.
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Vor der Positionierung des Kontaktanschlusses 40 können die Kontaktstellen 35 mittels Bürsten oder Abrasion vorgereinigt werden, beispielsweise mittels einer Glasfaserbürste oder einem Glasfaserschleifpapier. Es wird empfohlen, jegliche Faserpartikel, die nach der Vorreinigung noch vorliegen, beispielsweise mittels eines Staubsaugers zu entfernen. Ein Lötflussmittel 49 kann sowohl auf die Kontaktfläche 43 als auch auf die Kontaktstelle 35 oder auf beide vor der Erwärmung derselben aufgebracht werden. Dies verbessert die Reinigung und die Benetzungswirkung.
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Vorzugsweise sind die Kontaktstellen 18, 35 so kurz wie möglich vor dem Lötschritt freizulegen. Damit wird die Verunreinigung der Kontaktstellen so gut wie möglich verhindert. Das Freilegen der Kontaktstellen kann mittels Laserablation oder jeglichem anderem Schleifverfahren, beispielsweise Fräsen oder mittels einer chemischen Ätztechnik erfolgen, um lokal die rückseitige Schicht 6, 28 zu entfernen.
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11 zeigt schematisch und in einer nicht maßstabsgetreuen Seitenansicht eine weitere Ausführungsform des Kontaktanschlusses 55 für die erfindungsgemäße Nutzung. In dieser Ausführungsform wird ein Kontaktteil 56 durch zwei erhöhte Schenkelteile 57, 58, die sich in einem stumpfen Winkel ausgehend von im Wesentlichen ebenen Basisteil 60 erstrecken, gebildet, wobei ein im Wesentlichen U-förmiges Kontaktteil 56 mit selbstausrichtenden Eigenschaften vorliegt. Ein ebener Streifenbereich 56 erstreckt sich vom erhöhten Schenkelteil 57 in einer Richtung, die vom anderen erhöhten Schenkelteil 58 wegführt. Die Abmessungen der Teile können identisch zu den entsprechenden des Kontaktanschlusses 40 sein.
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In dieser Ausführungsform wird eine Radiofrequenz-Heizeinrichtung 61 zum Erwärmen des Basisteils 60 benutzt. Die Heizeinrichtung umfasst eine halbkreisförmige hohle elektrisch leitfähige Schleife oder Schlinge 62, durch welche Wasser oder eine andere Kühlflüssigkeit fließen kann, um die Vorrichtung und das Kontaktteil schnell abzukühlen, sobald das Lotmaterial aufgeschmolzen ist.
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Aufgrund der gewinkelten U-Form des Kontaktteils 56 wird sich dieses automatisch mit der Heizeinrichtung 61 ausrichten, wenn sich die Heizeinrichtung 61 vertikal in der Ebene der Zeichnung in Richtung der Kontaktstelle 35 bewegt. Das heißt, dass sich Kontaktanschluss 55 und Heizvorrichtung 61 selbst ausrichten.
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Durch exakte Positionierung der Heizvorrichtung 61 bezogen auf die Kontaktstelle 35, beispielsweise mittels einer Laserführung oder jeglicher anderer Führungshilfsmittel (schematisch in 11 durch den Pfeil 67 bezeichnet) wird sich das Kontaktteil 56 des Kontaktanschlusses, das heißt das Basisteil 60 desselben, das eine Kontaktfläche besitzt, die mit der Kontaktstelle 35 zu verbinden ist, automatisch und korrekt mit und oberhalb der Kontaktstelle 35 ausrichten. Hierdurch werden schlechte Lötverbindungen vermieden, indem das Basisteil 60 beispielsweise halbwegs oberhalb der Kontaktstelle 35 positioniert wird.
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Mittels der Heizvorrichtung 61 kann die mechanische Kraft zum Halten des Kontaktanschlusses 55 bei der Kontaktstelle 35 während des Abkühlens erbracht werden. Durch Hochfrequenzerwärmung bildet das Kontaktteil 56 einen Teil des Hochfrequenzkreises der Heizvorrichtung 61.
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12 zeigt den Kontaktanschluss 55 gemäß 11 und eine Hochfrequenzheizeinrichtung 66 mit einer Hochfrequenzschleife 62, die in einem Körper 63 aus elektrisch isolierendem Material angeordnet ist. Der Körper 63 hat eine äußere Form, die optimal mit der Form des Kontaktteils 56 des Kontaktanschlusses 55 abgestimmt werden kann, um die selbstausrichtenden Eigenschaften desselben zu verbessern. Im Körper 63 ist eine durchgehende Bohrung 64 zur Aufnahme von Temperaturmessmitteln vorgesehen, die schematisch durch den Pfeil 65 bezeichnet sind, beispielsweise in Form eines Pyroptometers. Mit diesem Pyroptometer kann die Temperatur des Basisteils 60 gemessen werden, um automatisch die Temperatur und die Wärmemenge, die während einer voreingestellten, festen oder variablen Zeitdauer zugeführt wird, kontrollieren zu können. Fachleuten sind andere Temperaturmesseinrichtungen für das Basisteil 60, d. h. die Kontaktstelle 35 und das Lotmaterial 50, bekannt.
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Die 13 bis 15 zeigen weitere Beispiele von Kontaktanschlüssen 70; 80; 90 mit selbstausrichtenden Eigenschaften bezüglich einer Heizvorrichtung 51 aufgrund der spezifischen Form der Kontaktteile 71; 81; 91.
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Die diesbezüglichen erhöhten Schenkelteile 71, 72; 81, 82; 91, 92 bilden ein im Wesentlichen U-förmiges Kontaktteil aus und erstrecken sich ausgehend von im Wesentlichen ebenen Basisteil 75; 85; 95. Die Kontaktanschlüsse 70; 80; 90 umfassen jeweils einen Streifenbereich 74; 84; 94, der sich vom erhöhten Schenkelteil aus erstreckt, um den Kontaktanschluss mit einem Verbinder verbinden zu können, beispielsweise einer Anschlussbox 2.
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Die Kontaktanschlüsse 50; 70; 80; 90 zeigen aufgrund ihrer gewinkelten Schenkelteile eine Kraft in Form einer Federwirkung, wenn die Heizeinrichtung 51 oder eine separate mechanische Vorrichtung zum Halten des Kontaktteils 56; 71; 81; 91 bei der Kontaktstelle 35 benutzt wird. Diese Federwirkung bewirkt eine Verbesserung der Qualität der Lötverbindung.
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Obwohl in den 6 bis 15 hierauf nicht explizit Bezug genommen ist, umfasst jedes der Basisteile 60; 75; 85 und 95 des Kontaktanschlusses 55; 70; 80 und 90 eine Oberflächenseite, die eine elektrische Kontaktfläche 43 für die elektrische Verbindung des Kontaktanschlusses mit der Kontaktstelle 35 und der Oberflächenseite 46 gegenüber der Kontaktfläche 43, von der sich die erhöhten Schenkelteile 57, 58; 71, 72; 81, 82 und 92, 93 erstrecken, zu verbinden – wie detailliert bezogen auf den Kontaktanschluss 40 beschrieben.
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16 zeigt ein Photovoltaikmodul 100, das das Photovoltaikmodul 21 aus 2 umfasst, wobei ein Kontaktanschluss 40 gemäß 5 verwendet wird, um mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens (wie vorstehend beschrieben) die leitfähige Leiterbahn 27 mit dem Verbindungselement 11 der Anschlussbox 2 zu verbinden. Der längliche Streifenbereich 47 des Kontaktanschlusses 40 wird mit dem Verbindungselement 11 verbunden. Es versteht sich, dass jeglicher elektrischer Kontaktanschluss, über den Wärme mittels zumindest eines erhöhten Schenkelteils gemäß der Erfindung zugeführt werden kann, verwendet werden kann, eingeschlossen die Kontaktanschlüsse 17 und 33 gemäß den 1 und 2.
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Im Photovoltaikmodul 1 gemäß 1 können die Kontaktanschlüsse 16, die die photovoltaischen Zellen in Serie miteinander verbinden, auch vom Typus, wie er in der vorliegenden Erfindung benutzt wird, gewählt werden. Dementsprechend können die Kontaktanschlüsse 16 mit den leitfähigen Leiterbahnen 7, 8 gemäß des Verfahrens der vorliegenden Erfindung (wie es vorstehend diskutiert und erläutert ist) verlötet werden.
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17 zeigt in einer sehr schematischen Art und Weise ein System 110, mit dem elektrische Kontaktanschlüsse und elektrische Kontaktstellen einer rückseitigen Schicht elektrisch verbunden werden können, um das photovoltaische Modul 100 beispielsweise gemäß 16 gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen.
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Das System 110 umfasst eine Montagestation 111 zur Montage eines photovoltaischen Moduls 100, wie es in 16 gezeigt ist, durch Wärmebeaufschlagung 118, eine Lötstation 114 (beispielsweise eine Hochfrequenz-Lötstation 121), die zum Verlöten von elektrischen Kontaktanschlüssen mit den Kontaktstellen des photovoltaischen Moduls ausgebildet ist (wie bezogen auf das erfindungsgemäße Verfahren oben erläutert und offenbart) und eine Befestigungsstation 115, zum elektrischen Verbinden der so erhaltenen gelöteten Kontaktanschlüsse mit den elektrischen Verbindungselementen der Anschlussbox 2. Die Anschlussbox 2 wird in der Regel an der Außenseite der rückseitigen Schicht des Photovoltaikmoduls 100 befestigt, beispielsweise mittels Kleben oder dergleichen.
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Alternativ kann das System 110 eine Freilegungsstation 113 umfassen, mittels der die Freilegung 120 von elektrischen Kontaktstellen der elektrisch leitfähigen Leiterbahnen des photovoltaischen Moduls 100 ausgehend von einer äußeren Oberfläche der rückseitigen Schicht des photovoltaischen Moduls (beispielsweise mittels Laserablation) erfolgt. Ferner kann das System 113 eine Materialverformungsstation 112 umfassen, die dazu dient, eine Formgebung 119 für das Kontaktteil, das mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gelötet wird, zu erreichen, beispielsweise ein Kontaktteil, wie es in den 5 bis 15 gezeigt ist.
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Die Pfeile 117 beziehen sich auf Transportmittel, mit denen das photovoltaische Modul 100 von einer Station zur nächsten transportiert wird. Abhängig vom Typ der Anschlussbox 2 kann die Befestigungsstation 115 vor der Lötstation 114 aufgesucht werden.
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Insbesondere die Lötstation 114 kann als separate Einrichtung ausgebildet sein, mit der ein elektrisches Verbinden der elektrischen Kontaktanschlüsse mit elektrischen Kontaktstellen einer photovoltaischen Vorrichtung erfolgt. Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren kann dies ein entweder vollautomatisch oder manuell hergestelltes photovoltaisches Modul oder eine photovoltaische Zelle sein.
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Die Erfindung kann auch anders als im vorstehenden, ausführlich beschriebenen Teil umgesetzt werden und die vorgenannten Ausführungsformen und Beispiele sind lediglich als Erläuterung für den Fachmann anzusehen. Der Umfang der Erfindung ist lediglich durch die beigefügten Ansprüche beschränkt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2008/105026 [0007]
- JP 2011-114205 [0008]
