DE212009000025U1

DE212009000025U1 - Dünnschicht-Solarzellen-Abfolge

Info

Publication number: DE212009000025U1
Application number: DE212009000025U
Authority: DE
Original assignee: Global Solar Energy Inc
Current assignee: Global Solar Energy Inc
Priority date: 2008-01-31
Filing date: 2009-02-02
Publication date: 2010-09-23
Anticipated expiration: 2019-02-03
Also published as: WO2009097161A1; US20130037074A1; US20090255565A1

Abstract

Dünnschicht-Photovoltaik-Modul, umfassend:
erste und zweite Dünnschicht-Photovoltaik-Zellen, wobei jede Zelle eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist;
ein elektrisch leitfähiges Band, das entlang der oberen Oberfläche der ersten Zelle und der unteren Oberfläche der zweiten Zelle angeordnet und an diesen befestigt ist, um eine elektrische Reihenverbindung zwischen der ersten und der zweiten Zelle zu bilden; und
ein dielektrisches Material, das zwischen dem leitfähigen Band und einer hinteren Kante der ersten Zelle und zwischen dem leitfähigen Band und einer vorderen Kante der zweiten Zelle angeordnet ist.

Description

Querverweis auf verwandte Anmeldung
Diese Anmeldung beansprucht eine Priorität gemäß 35 U. S. C. § 119 und gemäß anwendbarem ausländischen und internationalem Recht aus den provisorischen US-Patentanmeldungen Nr. 61/063,257, eingereicht am 31.1.2008, und Nr. 61/109,828, eingereicht am 30.10.2008, die jeweils durch diesen Verweis in ihrer Gesamtheit hier aufgenommen werden.
Hintergrund
Das Gebiet der Photovoltaik betrifft allgemein mehrschichtige Materialien, die Sonnenlicht direkt in Gleichstrom umwandeln. Der Grundmechanismus für diese Umwandlung ist der photovoltaische (oder photoelektrische) Effekt, der 1905 erstmals korrekt von Einstein in einer wegweisenden wissenschaftlichen Abhandlung beschrieben wurde, für die er einen Nobelpreis für Physik erhalten hat. In den Vereinigten Staaten sind photovoltaische (PV) Vorrichtungen allgemein bekannt als Solarzellen. Solarzellen sind typischerweise als eine zusammenwirkende Schichtanordnung von p-Halbleitern und n-Halbleitern konstruiert, wobei das n-Halbleitermaterial (auf einer „Seite” der Schichtanordnung) ein Übermaß an Elektronen aufweist und das p-Halbleitermaterial (auf der anderen „Seite” der Schichtanordnung) ein Übermaß an Löchern aufweist, von denen jedes die Abwesenheit eines Elektrons darstellt. Nahe der p-n-Kontaktstelle zwischen den zwei Materialien bewegen sich Valenzelektronen von der n-Schicht in benachbarte Löcher in der p-Schicht, wodurch ein kleines elektrisches Ungleichgewicht innerhalb der Solarzelle erzeugt wird. Dies resultiert in einem elektrischen Feld in der Umgebung der Kontaktstelle.
Wenn ein einfallendes Photon ein Elektron in der Zelle in dem Leitungsband erregt, löst sich das erregte Elektron von den Atomen des Halbleiters, wodurch ein freies Elektron-/Lochpaar erzeugt wird. Da, wie oben beschrieben, die p-n-Kontaktstelle ein elektrisches Feld in der Umgebung der Kontaktstelle erzeugt, neigen Elektron-/Lochpaare, die auf diese Weise in der Nähe der Kontaktstelle erzeugt wurden, dazu, sich abzutrennen und von der Kontaktstelle weg zu bewegen, wobei sich das Elektron zur n-Seite bewegt und das Loch sich zur p-Seite der Kontaktstelle bewegt. Dies erzeugt insgesamt ein Ladungsungleichgewicht in der Zelle, so dass sich die Elektronen, wenn ein externer leitender Pfad zwischen den zwei Seiten der Zelle bereitgestellt wird, von der n-Seite zurück zur p-Seite entlang des externen Pfades bewegen, wodurch ein elektrischer Strom erzeugt wird. In der Praxis können Elektronen von der Oberfläche oder nahe der Oberfläche der n-Seite durch ein Leitgitter gesammelt werden, das einen Bereich der Oberfläche bedeckt, während einfallenden Photonen weiterhin ausreichend Zugang in die Zelle ermöglicht wird.
Solch ein photovoltaischer Aufbau bildet eine funktionsfähige PV-Vorrichtung, wenn geeignet angeordnete elektrische Kontakte enthalten sind und die Zelle (oder eine Reihe von Zellen) in einem geschlossenen elektrischen Schaltkreis integriert ist. Als Einzelvorrichtung ist eine einzelne herkömmliche Solarzelle nicht ausreichend, um die meisten Anwendungen mit Strom zu versorgen. Deshalb werden Solarzellen üblicherweise in PV-Modulen oder PV-Abfolgen angeordnet, indem die Vorderseite der einen Zelle mit der Hinterseite einer weiteren Zelle verbunden wird, wodurch die Spannungen der einzelnen Zellen zusammen in einer elektrischen Reihenschaltung aufaddiert werden. Typischerweise wird eine sehr große Anzahl von Zellen in Reihe verbunden, um eine nutzbare Spannung zu erzielen. Der daraus entstehende Gleichstrom kann dann durch einen Inverter eingespeist werden, wobei er zu einem Wechselstrom mit geeigneter Frequenz transformiert wird, die so ausgewählt wird, dass sie zu der Frequenz eines Wechselstroms, der von einem herkömmlichen Energieversorgungsnetz geliefert wird, passt. In den Vereinigten Staaten liegt diese Frequenz bei 60 Hertz (Hz), und in den meisten anderen Ländern wird Wechselstrom mit 50 Hz oder 60 Hz bereitgestellt.
Eine besondere Art von Solarzelle, die für kommerzielle Zwecke entwickelt wurde, ist eine „Dünnschicht”-PV-Zelle. Im Vergleich zu anderen Arten von PV-Zellen, wie z. B. kristalline Silizium-PV-Zellen, benötigen Dünnschicht-PV-Zellen weniger lichtabsorbierendes Material, um eine funktionsfähige Zelle zu bilden und können somit die Herstellungskosten verringern. Auf Dünnschicht basierende PV-Zellen sind auch kostensgünstiger, da sie bereits früher entwickelte Abscheidungstechniken einsetzen, die in der Industrie für schützende, dekorative und funktionale Beschichtungen weit verbreitet genutzt werden. Bekannte Beispiele für kostengünstige, kommerzielle Dünnschicht-Produkte umfassen wasserdurchlässige Beschichtungen auf Lebensmittelverpackungen auf Polymerbasis, dekorative Beschichtungen auf Bauglas, Wärmekontrollbeschichtungen mit geringem Emissionsgrad auf Glas im Wohnbereich und Handel, und Beschichtungen gegen Zerkratzen und zur Entspiegelung auf Brillengläsern. Die Übernahme oder Anpassung von Techniken, die in diesen anderen Gebieten entwickelt wurden, ermöglichte eine Verringerung der Entwicklungskosten für Dünnschicht-Abscheidungstechniken für PV-Zellen.
Weiterhin haben Dünnschichtzellen, insbesondere solche, die eine sonnenlichtabsorbierende Schicht aus Kupfer-Indium-Diselenit, Kupfer-Indium-Disulfit, Kupfer-Indium-Aluminium-Diselenit oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenit nutzen, Wirkungsgrade nahe 20% erreicht, was den Wirkungsgraden der höchst effizienten kristallinen Zellen gleichkommt oder diese übersteigt. Insbesondere Kupfer-Indium-Gallium-Diselenit (CIGS) ist stabil, hat eine geringe Toxizität und ist tatsächlich dünnschichtig, da es eine Dicke von weniger als 2 Mikrometer in einer funktionsfähigen PV-Zelle benötigt. Somit scheint CIGS bis heute das größte Potential für hochleistungsfähige, kostengünstige Dünnschicht-PV-Produkte, und somit für die Eroberung großer Stromerzeugungsmärkte, aufzuweisen.
Dünnschicht-PV-Materialien können auf festen Glassubstraten oder auf flexiblen Substraten abgeschieden werden. Glassubstrate sind relativ billig, haben im allgemeinen einen Wärmeausdehnungskoeffizienten, der relativ genau zu dem CIGS oder anderen Absorberschichten passt, und ermöglichen die Anwendung von Vakuumabscheidungssystemen. Jedoch weisen feste Substrate verschiedene Nachteile auf, wie die Notwendigkeit einer erheblichen Aufstellfläche für Verarbeitungsgeräte und Materiallagerung, spezialisierte Schwerlast-Handhabungsgeräte, ein hohes Potential eines Bruchs des Substrats, erhöhte Versandkosten aufgrund des Gewichts und der Empfindlichkeit des Glases, und Schwierigkeiten bei der Installation. Dadurch eignet sich die Verwendung von Glassubstraten nicht wirklich für die großflächige, kommerzielle Massenproduktion von mehrschichtigen, funktionalen Dünnschichtmaterialien, wie bei der Photovoltaik.
Im Gegensatz dazu ermöglicht die Rollenverarbeitung von dünnen, flexiblen Substraten die Verwendung von kompakten, kostengünstigeren Vakuumsystemen und von nicht-spezialisierten Geräten, die bereits für andere Dünnschicht-Industrieanwendungen entwickelt wurden. PV-Zellen auf der Grundlage dünner, flexibler Substratmaterialien bieten außerdem eine relativ hohe Toleranz gegenüber schnellem Erwärmen und Abkühlen und großen Wärmegefällen (was zu einer geringen Wahrscheinlichkeit eines Bruchs oder eines Ausfalls während der Verarbeitung führt), erfordern vergleichsweise geringe Versandkosten und ermöglichen eine einfachere Installation als Zellen auf der Grundlage von festen Substraten. Zusätzliche Einzelheiten in Bezug auf die Zusammensetzung und Herstellung von Dünnschicht-PV-Zellen einer Art, die für eine Verwendung mit den hierin offenbarten Verfahren und Vorrichtungen geeignet ist, sind zum Beispiel in den US-Patenten Nr. 6,310,281 , 6,372,538 und 7,194,197 , alle von Wendt u. a., zu finden. Diese Patente werden hiermit durch diesen Verweis für alle Zwecke in die vorliegende Offenbarung integriert.
Wie vorher erwähnt, wird oft eine sehr große Anzahl von PV-Zellen in Reihe verbunden, um eine nutzbare Spannung, und somit eine gewünschte Ausgangsleistung, zu erhalten. Solche eine Konfiguration wird häufig als Modul oder „Abfolge” von PV-Zellen bezeichnet. Aufgrund der unterschiedlichen Eigenschaften von kristallinen Substraten und flexiblen Dünnschichtsubstraten kann die elektrische Reihenverbindung bei einer Dünnschichtzelle anders aufgebaut sein als bei einer kristallinen Zelle, und das Ausbilden einer zuverlässigen Reihenverbindung zwischen Dünnschichtzellen stellt mehrere Aufgaben. Zum Beispiel wird bei einem Löten (die herkömmliche Technik zum Verbinden von kristallinen Solarzellen) direkt auf der Dünnschichtzelle die PV-Beschichtung der Zellen einer schädlichen Temperatur ausgesetzt, und es kann sein, dass die organischen Silberfarben, die typischerweise verwendet werden, um ein Sammelgitter auf Dünnschichtzellen auszubilden, ein starkes Anhaften durch normale Lötmaterialien überhaupt nicht möglich machen. Somit werden PV-Zellen häufig mit Drähten oder leitfähigen Streifen, die an den Zellen befestigt sind, durch andere Verfahren außer Löten verbunden.
Auch wenn Drähte oder Streifen verwendet werden, um Verbindungen zwischen Zellen herzustellen, bringen die extrem dünnen Beschichtungen und Potentialabfälle entlang geschnittener PV-Zellenkanten Gelegenheiten für einen Kurzschluss (Stromverlust) mit sich, wenn ein Draht oder Streifen eine Zellenkante kreuzt. Außerdem kann das leitfähige Substrat, auf dem die PV-Beschichtungen abgeschieden sind, das typischerweise eine Metallfolie ist, leicht durch thermo-mechanische Belastung von den daran befestigten Drähten und Streifen verformt werden. Diese Belastung kann zu schwach anhaftenden Schnittstellen übertragen werden, was zu einer Schichtentrennung der Zellen führen kann. Zusätzlich kann die Haftung zwischen den Drähten oder Streifen und der Zellenrückseite, oder zwischen den Drähten oder Streifen und dem leitfähigen Gitter auf der Vorderseite, schwach sein, und eine mechanische Belastung kann eine Ablösung der Drähte oder Streifen an diesem Stellen verursachen. Außerdem kann Korrosion zwischen der Molybdän- oder anderer Beschichtung auf der Rückseite einer Zelle und dem Material, das den Streifen dort an der Solarzelle befestigt, auftreten. Diese Korrosion kann zu einem Hochwiderstandskontakt oder Haftungsausfall führen, was zu Stromverlusten führt.
Aufgrund der oben beschriebenen Probleme besteht eine Notwendigkeit für eine verbesserte Anordnung von verbundenen Dünnschicht-PV-Zellen, die einige oder alle Nachteile der bereits bestehenden Dünnschicht-PV-Module überwindet.
Zusammenfassung
Die vorliegende Lehre offenbart Dünnschicht-PV-Zellen und Reihen solcher Zellen, die mittels leitfähiger Streifen oder Bänder elektrisch verbunden werden können. Ein halbflexibles, elektrisch leitfähiges Haftmittel (ECA) wird aufgetragen, um die Bänder an der Vorder- und Rückseite einer Zelle zu befestigen, wodurch ein leitfähiger Pfad zwischen dem Streifen und der Solarzelle mit einer guten Haftung an beiden bereitgestellt wird. Die Bänder können aus einem oder mehreren Materialen hergestellt sein, das/die einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist/aufweisen, der möglichst genau mit dem des Substratmaterials der Zellen übereinstimmt, so dass, wenn die Abfolge oder das Modul nachfolgend erwärmt wird, die mechanische Belastung zwischen dem Band und der Solarzelle minimiert ist. Die halbflexible Ausbildung des ECA dient außerdem dazu, eine Belastung zwischen dem Band und der Solarzelle abzubauen, was die Möglichkeit eines Haftungsausfalls an kritischen Stellen verringert. Ein dielektrisches Material oder mehrere dielektrische Materialen kann/können auf die PV-Zellen und/oder die Bänder in Bereichen aufgebracht werden, an denen ein Band eine Kante einer Zelle kreuzt, um einen elektrischen Kurzschluss zwischen den negativen und positiven Elektroden der Zelle zu vermeiden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine Draufsicht auf eine Dünnschicht-Photovoltaikzelle gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung.
2 ist eine Draufsicht, die einen vergrößerten Kantenbereich der Photovoltaikzelle der 1 zeigt.
3 ist eine Seitenansicht, die einen vergrößerten Kantenbereich der Photovoltaikzelle der 1 zeigt.
4 ist eine Seitenansicht, die zusätzliche Einzelheiten des in 3 gezeigten Kantenbereichs noch stärker vergrößert zeigt.
5 ist eine perspektivische Ansicht der Photovoltaikzelle der 1.
6 ist eine perspektivische Ansicht, die einen vergrößerten Kantenbereich der Photovoltaikzelle der 5 zeigt.
7 ist eine perspektivische Ansicht, die zwei Dünnschicht-Photovoltaikzellen zeigt, die miteinander über leitfähige Bänder miteinander verbunden sind.
8 ist eine Unteransicht der verbundenen Photovoltaikzellen der 7.
9 ist eine perspektivische Ansicht eines vergrößerten Bereichs der verbundenen Photovoltaikzellen der 7, wobei Einzelheiten benachbarter Kantenbereiche der verbundenen Zellen gezeigt sind.
10 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die ein weiteres Paar von Dünnschicht-Photovoltaikzellen zeigt, die miteinander über leitfähige Bänder gemäß Aspekten der vorliegenden Lehre verbunden sind.
11 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die noch ein weiteres Paar von Dünnschicht-Photovoltaikzellen zeigt, die miteinander über leitfähige Bänder gemäß Aspekten der vorliegenden Lehre verbunden sind.
12 ist eine vergrößerte perspektivische Ansicht, die noch ein weiteres Paar von Dünnschicht-Photovoltaikzellen zeigt, die miteinander über leitfähige Bänder gemäß Aspekten der vorliegenden Lehre verbunden sind.
13 ist ein Ablaufdiagramm, das die Verfahren zur Herstellung von Abfolgen oder Modulen von Photovoltaikzellen gemäß Aspekten der vorliegenden Lehre zeigt.
Genaue Beschreibung
1 zeigt eine Draufsicht auf eine Dünnschicht-Photovoltaikzelle 10 gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung. Die Zelle 10 ist im Wesentlichen eben und typischerweise rechteckig, wie in 1 dargestellt, auch wenn andere Formen als rechteckig für bestimmte Anwendungen besser geeignet sein mögen, wie z. B. für unregelmäßig geformte Dachstühle und andere Oberflächen. Die Zelle hat eine obere Oberfläche 12, eine untere Oberfläche 14 (siehe z. B. 3 und 8) und Abmessungen mit einer Länge L, einer Breite W und einer Dicke T. Die Länge und Breite können für eine geeignete Anwendung der Zellen und/oder je nach Zweckmäßigkeit während der Bearbeitung ausgewählt werden und liegen typischerweise in einem Bereich von wenigen Zentimetern (cm) bis zu Zehnteln von cm. Zum Beispiel kann die Länge ca. 100 Millimeter (mm) und die Breite ca. 210 mm betragen, auch wenn andere geeignete Abmessungen gewählt werden können. Aus Gründen, die später beschrieben werden, werden die Kanten, die sich über die Breite der Zellen erstrecken, jeweils als vordere Kante 16 und als hintere Kante 18 bezeichnet. Die Gesamtdicke der Zelle 10 hängt von dem einzelnen Schichten ab, die für die Zelle gewählt wurden, und wird typischerweise von der Dicke des zugrundeliegenden Substrats der Zelle bestimmt. Zum Beispiel kann ein Edelstahlsubstrat eine Dicke in der Größenordnung von 0,025 mm aufweisen, während alle anderen Schichten der Zelle eine kombinierte Dicke in der Größenordnung von 0,01 mm oder weniger aufweisen können.
Die Zelle 10 wird erzeugt, indem mit einem flexiblen Substrat angefangen wird und dann aufeinanderfolgend mehrere dünne Schichten aus verschiedenen Materialien auf dem Substrat abgeschieden werden. Dieser Aufbau wird durch einen Rollvorgang erzielt, bei dem das Substrat von einer Ausgaberolle bzw. -walze zu einer Aufnahmerolle bzw. -walze bewegt wird, wobei es eine Reihe von Abscheidungsbereichen zwischen den zwei Rollen oder Walzen durchläuft. Das PV-Material kann dann zu Zellen jeder beliebigen Größe zugeschnitten werden. Das Substratmaterial in einem Rollvorgang ist im Allgemeinen dünn, flexibel und kann eine Umgebung mit relativ hoher Temperatur ertragen. Geeignete Materialen umfassen z. B. ein Hochtemperatur-Polymer, wie Polyimid, oder ein dünnes Metall wie u. a. Edelstahl oder Titan. Aufeinanderfolgende Schichten werden typischerweise auf dem Substrat in einzelnen Verarbeitungskammern durch verschiedene Verfahren, wie Bedampfung (Sputtern), Evaporation, Vakuumabscheidung und/oder Drucken abgeschieden. Diese Schichten können eine hintere Kontaktschicht aus Molybdän (Mo) oder Chrom/Molybdän (Cr/Mo); eine Absorberschicht aus einem Material wie Kupfer-Indium-Diselenid, Kupfer-Indium-Disulfit, Kupfer-Indium-Aluminium-Diselenid oder Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS); eine Pufferschicht wie z. B. eine Schicht aus Cadmiumsulfid (CdS), die die Ausbreitung von Verunreinigungen in die Absorberschicht verhindern kann; und eine entspiegelte transparente leitende Oxidschicht (TCO) aufweisen. Zusätzlich ist üblicherweise ein leitfähiges Stromsammelgitter, typischerweise aus Silber (Ag) oder einem anderen leitfähigen Metall, über der TCO-Schicht aufgebracht.

Auch wenn die genaue Dicke jeder Schicht einer Dünnschicht-PV-Zelle von der genauen Auswahl der Materialien und dem bestimmten Aufbringungsvorgang, der zum Ausbilden jeder Schicht gewählt wurde, abhängt, sind nachfolgend beispielhafte Materialien, Dicken und Verfahren zur Aufbringung jeder Schicht, die oben beschrieben wurden, aufgeführt, in der üblichen Reihenfolge der Aufbringung jeder Schicht auf dem Substrat:

Schicht Beschreibung	Beispielhaftes Material	Beispielhafte Dicke	Beispielhaftes Verfahren zur Aufbringung
Substrat	Edelstahl	25 μm	Keines (Lagermaterial)
Hinterer Kontakt	Mo	320 nm	Bedampfung
Absorber	CIGS	1700 nm	Evaporation
Puffer	CdS	80 nm	Chemische Abscheidung
Vordere Elektrode	TCO	250 nm	Bedampfung
Sammelgitter	Ag	40 μm	Drucken

Weitere Einzelheiten bezüglich dieser Schichten, einschließlich möglicher alternativer Schichtmaterialien, Schichtdicken und geeigneter Aufbringungsverfahren für jede Schicht sind z. B. im US-Patent Nr. 7,194,197 beschrieben.
Gemäß Aspekten der vorliegenden Offenbarung kann eine Vielzahl von Zellen in elektrischen Reihen unter Verwendung von leitfähigen Bändern miteinander verbunden werden. Die Funktionsweise und Konstruktion dieser Bänder wird nachfolgend genau beschrieben. Um die Verbindung der Zellen zu vereinfachen, kann/können ein oder mehrere zusätzliche Materialien auf der Oberseite der TCO-Schicht und/oder des leitfähigen Gitters jeder Zelle abgeschieden werden. Wie z. B. in 2 gezeigt ist, die eine vergrößerte Ansicht eines Bereichs der Zelle 10 angrenzend an deren vordere Kante 18 ist, kann eine leitfähige Schicht in Form eines oder mehrerer, relativ schmaler, leitfähiger Streifen 20 aufgebracht sein, entweder in Verbindung mit dem Sammelgitter oder als eine getrennte Schicht. Diese Streifen können aus jedem geeigneten leitfähigen Material gefertigt sein, einschließlich Metallen, wie Kupfer, Zinn, Silber, oder einer geeigneten Legierung, und können sich fast oder ganz über die Länge L der Zelle erstrecken. Die Breite jedes Streifens 20 kann gemäß dem gesamten Größenverhältnis der Zelle gewählt werden. Für eine Zelle mit den Abmessungen 100 mm × 210 mm liegt die Breite jedes Streifens typischerweise im Bereich von 1,0 bis 2,0 mm, und eine Breite von ca. 1,5 mm wird als geeignet betrachtet.
Ein Tropfen 22 eines elektrisch leitfähigen Haftmittels (ECA) kann auf jeden der Streifen 20 (oder direkt auf der TCO/Gitterschicht, wenn keine Streifen 20 vorhanden sind) aufgetragen werden. Wie nachfolgend genauer beschrieben wird, können die ECA-Tropfen alternativ auf die leitfähigen Streifen, die an den Zellen zu befestigen sind, abgeschieden werden, anstatt auf den Zellen selbst. In jedem Fall ist jeder ECA-Tropfen 22 im Allgemeinen im Wesentlichen linear und geringfügig schmäler als der dazugehörige leitfähige Streifen. Zum Beispiel kann bei einem Streifen mit der Breite 1,5 mm jeder Tropfen ungefähr 1,3 mm breit sein, so dass 0,1 mm zwischen jeder Seite des Tropfens und der Kante des zugehörigen leitfähigen Streifens frei bleibt. Jeder Tropfen erstreckt sich entlang eines Mittelbereichs der Länge jedes leitfähigen Streifens 20, was 60% oder mehr der Länge der Zelle betragen kann. Bei einer Zelle der Länge 100 mm kann jeder Tropfen z. B. 60 bis 80 mm lang sein, wodurch 10 bis 15 mm zwischen jedem Ende des Tropfens und den entsprechenden vorderen und hinteren Kanten der Zelle frei bleiben. Wie in 3 gezeigt, werden die Tropfen 22 in einer dünnen Schicht aufgetragen, mit einer Dicke, die im Allgemeinen ungefähr vergleichbar mit der Dicke der Zelle 10 ohne die Tropfen ist. Zum Beispiel können die Haftmitteltropfen 22 jeweils eine Dicke von ca. 0,1 mm bis 0,5 mm aufweisen.
Das in den Tropfen 22 verwendete ECA ist im Allgemeinen halbflexibel und kann außerdem so gewählt werden, dass es verschiedene andere, vorteilhafte Eigenschaften aufweist. Zum Beispiel kann das ausgewählte ECA bei einer Temperatur unter 225 Grad Celsius (°C), oder in manchen Fällen unter 200°C, aushärtbar sein, um eine mögliche Wärmeschädigung anderer Bauteile der Zelle zu vermeiden. Das ECA kann außerdem ein Korrosionsschutzmittel enthalten, um die Wahrscheinlichkeit einer Korrosion während einer Umweltexposition zu verringern. ECAs, die für die Verfahren und Vorrichtungen, die in dieser Offenbarung beschrieben sind, geeignet sind, umfassen z. B. eine Metall-/Polymerpaste, ein eigenleitfähiges Polymer oder andere geeignete halbflexible, elektrisch leitfähige Haftmittel. In manchen Fällen kann ein Epoxydharz, wie ein Harz auf Basis von Bisphenol-A oder Bisphenol-B, mit einem leitfähigen Füllstoff, wie z. B. Silber, Gold oder Palladium, kombiniert werden, um ein ECA zu bilden. Alternative Harze umfassen Urethane, Silikone und verschiedene andere wärmehärtende Harze, und alternative Füllstoffe umfassen Nickel, Kupfer, Kohlenstoff und andere Metalle, sowie metallbeschichtete Fasern, Kugeln, Glas, Keramik oder dergleichen. Geeignete Korrosionshemmer umfassen heterozyklische oder zyklische Zusammensetzungen und verschiedene Silane. Besondere Beispiele für Zusammensetzungen, die geeignet sein können, umfassen Salicylaldehyd, Glycidoxypropyltrimethoxysilan, 8-Hydroxyquinolin und u. a. verschiedene Zusammensetzungen ähnlich 8-Hydroxyquinolin.
Ein oder mehrere dielektrische(r) Flecken 24 kann/können ebenfalls angrenzend an die vordere Kante der Zelle und entweder überlappend mit oder angrenzend an den zugehörigen leitfähigen Streifen (falls vorhanden) aufgebracht sein, in ungefähr linear Ausrichtung zu jedem leitfähigen Streifen 20 und jedem zugehörigen ECA-Tropfen 22. Wie in 2 gezeigt, sind die Flecken 24 typischerweise etwas breiter als die Streifen 20 und Tropfen 22. Bei einem leitfähigen Streifen der Breite 1,5 mm kann der dielektrische Fleck z. B. ca. 5,0 mm breit und ca. 3,4 mm lang sein. Aus Gründen, die nachfolgend beschrieben werden, sind die dielektrischen Flecken 24 so ausgelegt, dass sie eine nichtleitfähige Barriere an der vorderen Kante der Zelle bilden. Um diese zu erreichen, kann jeder Flecken 24, wie in 4 gezeigt, über die vordere Kante der Zelle hinweg angeordnet sein, um im Wesentlichen die gesamte Dicke der Zelle zu überlappen. Die Dicke jedes Fleckens 24 liegt im Allgemeinen im Bereich von 0,01 mm bis 0,1 mm. Die Flecken 24 können aus jedem geeigneten dielektrischen Material gefertigt sein, wie ein Material auf Oxid- oder Fluoridbasis, ein flexibles UV-wärmehärtendes Acrylpolymer, UV-härtbares Silikon, Epoxyd- und Urethan-Zusammensetzungen, zweiteilige Zusammensetzungen aus einem Katalysator und einem Harz wie Epoxyd, Acryl oder Urethan, oder lufttrocknende oder lufthärtende Silikone und Urethane, usw. Die dielektrischen Flecken können unter Verwendung von Drucken, Bedampfung oder jeder anderen geeigneten Aufbringungstechnik aufgebracht werden.
5 und 6 zeigen jeweils perspektivische Ansichten der Zelle 10 und eines vergrößerten Bereichs der Zelle 10 nahe der vorderen Kante 18. 6 ist stärker vergrößert als 2 und zeigt, dass die leitfähigen Streifen 20 angrenzend an oder zusammenhängend mit einem leitfähigen Sammelgitter 26 angeordnet sein können, wobei das Gitter als eine Vielzahl von horizontalen Linien in 1 und 2 gezeigt ist. Das Gitter 26 ist ausgelegt, Elektronen, die durch eingehende Photonen von der CIGS (oder einer ähnlichen) Absorberschicht der Zelle verlagert werden, in einer Erscheinungsform des Photovoltaikeffekts zu sammeln und zu führen. Somit kann das Gitter 26 aus dem gleichen oder ähnlichem leitfähigen Material wie die Streifen 20 gefertigt sein; und wenn es aus dem gleichen Material gefertigt ist, kann das Gitter in dem gleichen Bearbeitungsvorgang wie die Streifen 20 an der Zelle angeordnet werden. Zum Beispiel kann sowohl das Gitter als auch die Streifen eine leitfähige Silberfarbenschicht sein, die durch Drucken auf die Zelle aufgebracht wird und eine Dicke von ca. 0,04 mm aufweist.
7 bis 9 zeigen zwei PV-Zellen 10, 10' der Art, die oben allgemein beschrieben wurde, die in einer elektrischen Reihenschaltung (oder Abfolge) mittels drei elektrisch leitfähigen Bändern 28 verbunden sind. 7 ist eine perspektivische Ansicht der Oberseite der verbundenen Zellen, 8 ist eine Unteransicht und 9 ist eine vergrößerte perspektivische Draufsicht auf einen Bereich der verbundenen Zellen, nahe dem die Zellen aneinander angrenzen. Die Zelle 10' ist in ähnlicher Weise wie die Zelle 10 aufgebaut und die Zellen haben typischerweise eine gemeinsame Breite, Länge und Dicke. Mit Apostroph versehene Bezugszeichen (z. B. 12', 14' usw.) werden verwendet, um Bereiche der Zelle 10' zu bezeichnen, die ähnlichen Bereichen der Zelle 10 entsprechen, die mit den gleichen Bezugszeichen, aber ohne Apostroph, bezeichnet sind. Auch wenn genau zwei Zellen in 7 bis 9 dargestellt sind, sind die hierin offenbarten Verfahren und Vorrichtungen im Großen und Ganzen auf die Verbindung jeder Anzahl von PV-Zellen anwendbar und können verwendet werden, um eine Reihe oder eine zweidimensionale Anordnung jeder Anzahl von Zellen verwendet werden, abhängig von der gewünschten Spannungs- oder Stromausgangsleistung für eine bestimmte PV-Zellen-Anwendung. Zum Beispiel kann eine Vielzahl von Zellen verbunden werden, um Module zu bilden, die 6, 12, 30, 60 oder 120 Watt Leistung erzeugen können.
Die leitfähigen Bänder 28 sind im Wesentlichen linear und haften an der oberen Oberfläche der Zelle 10 mittels Haftmitteltropfen 22. Dieser befestigt die Bänder sicher an der Zelle und bildet außerdem einen elektrischen Kontakt zwischen jedem Band und der oberen Oberfläche der Zelle 10. Als eine Alternative zur Aufbringung der Haftmitteltropfen an der Oberfläche der Zelle kann jeder Tropfen an einer Unterseite des entsprechenden Bandes aufgetragen werden. Mit anderen Worten: Das Haftmittel dient im Wesentlichen dem gleichen Zweck, solange es zwischen dem Band und einer Oberfläche der Zelle angeordnet ist, egal ob ein Tropfen ursprünglich an der Zelle oder dem Band aufgetragen wird. Wie in 7 und 8 gezeigt, kann sich jedes Band 28 entlang der Länge der Zelle erstrecken, um einen Kontakt mit der Gesamtheit des zugehörigen Haftmitteltropfens herzustellen, und er kann sich noch etwas weiter bis zu einem Punkt innerhalb weniger Millimeter der vorderen Kante der Zelle 10 erstrecken. Da sich die Tropfen 22 typischerweise entlang 60–80% der Länge der oberen Oberfläche der Zelle 10 erstrecken, wie vorher beschrieben wurde, führt dies zu einem relativen langen Bereich, in dem sowohl ein elektrischer Kontakt als auch Haftung zwischen den Bändern und der oberen Oberfläche der Zelle entsteht.
Wie am besten in 9 zu sehen ist, erstreckt sich jedes Band 28 zur vorderen Kante 18 der Zelle 10, über den zugehörigen dielektrischen Pfad 25, über die vordere Kante hinaus und unter die benachbarte Zelle 10', um die Zellen 10 und 10' zu verbinden. Wie in 9 gezeigt, können die Zellen 10 und 10' (und ganz allgemein zwei benachbarte Zellen) nicht-überlappend sein, und ein Spalt 30 kann die benachbarten Zellen trennen, um den Bändern 28 zu ermöglichen, sich in dem Grenzbereich zwischen den Zellen zu biegen oder anderweitig leicht verformt zu sein. Der Spalt 30 kann jede geeignete Länge aufweisen, um eine ausreichende Verformung jedes Bandes zu ermöglichen, auch wenn ein minimaler Spalt vom Gesichtspunkt der Effizienz des Raums wünschenswert ist, da jeder Spalt einen Bereich darstellt, der nicht genutzt wird, um eine PV-Zelle der Sonnenenergie auszusetzen. Bei Zellen mit einer Länge von 100 mm und einer Breite von 210 mm hat sich ein Spalt von ca. 3 mm als ausreichend herausgestellt. Die Existenz des dielektrischen Fleckens, einschließlich seiner möglichen Überlappung der gesamten Dicke der Zelle 10, verhindert einen elektrischen Kurzschluss, der durch den elektrischen Kontakt zwischen Bändern 28 und der entgegengesetzt geladenen (d. h. positiven) Elektrode der Zelle 10 entstehen könnte.
Wie in 8 dargestellt, die untere Oberflächen der Zellen 10 und 10' zeigt, kann sich jedes Band 28 beim Überkreuzen des Grenzbereichs zwischen den zwei Zellen entlang eines wesentlichen Teils der unteren Oberfläche der Zelle 10' erstrecken, bis zu ein paar Millimeter (oder eine andere gewünschte Entfernung) von der vorderen Kante 18' der Zelle 10'. Haftmitteltropfen 22' können entweder linear entlang der unteren Oberfläche 14' der Zelle 10' oder auf der Oberfläche jedes Bandes, das in Richtung zur unteren Oberfläche weist, aufgetragen werden. Somit haftet jedes Band 28 mittels eines der Tropfen 22' an der unteren Oberfläche der Zelle 10', in einer Weise ähnlich zur Anhaftung der Bänder 28 an der oberen Oberfläche der Zelle 10 durch die Tropfen 22. Abgesehen von ihrer Anordnung zwischen dem Band und der unteren Oberfläche der Zelle 10' anstatt zwischen dem Band und der oberen Oberfläche der Zelle 10 sind die Haftmitteltropfen 22' im Allgemeinen in ihren Eigenschaften im Wesentlichen ähnlich oder gleich den Haftmitteltropfen 22. Das heißt, die Tropfen 22' sind aus einem elektrisch leitfähigen Haftmittel ausgebildet, werden in einer dünnen Schicht aufgetragen, die zumindest etwas schmäler als das Band ist, und können sich entlang 60 bis 80% oder mehr der Länge der unteren Oberfläche 14' erstrecken. Dementsprechend können sich die Bänder 28 entlang zumindest dieses Teils der Länge der unteren Oberfläche der Zelle 10' erstrecken, was zu einem sicheren elektrischen Kontakt und einer Anhaftung zwischen den Bändern und der unteren Oberfläche der Zelle führt. In alternativen Ausführungsbeispielen, typischerweise solchen, die entweder ein dickeres Substrat oder ein stärker leitfähiges Substratmaterial, wie z. B. Titan, nutzen, kann die Leitfähigkeit des Substrats ausreichend sein, so dass nur ein kleinerer Kontaktbereich, und vielleicht sogar nur ein Kontaktpunkt, zwischen dem Tropfen und der unteren Oberfläche der Zelle erforderlich ist.
Es sei angemerkt, dass in manchen Ausführungsbeispielen die untere Oberfläche 14' der Zelle 10' keine leitfähigen Streifen enthält, um den elektrischen Kontakt zwischen den Bändern 28 und der Unterseite der Zelle zu erleichtern. Dies kann zum Beispiel der Fall sein, wenn das Substratmaterial, das die untere Oberfläche der Zellen bildet, selbst metallisch ist, z. B. wenn das Substrat aus flexiblem Edelstahl gebildet ist. In alternativen Ausführungsbeispielen, wenn das Substrat aus einem anderen und vielleicht weniger leitfähigen und/oder weniger haftenden Material gefertigt ist, kann die untere Oberfläche jeder Zelle metallische oder anderweitig stark leitfähige und haftende Streifen, die mit den Bändern ausgerichtet sind, in der gleichen Weise aufweisen, wie die obere Oberfläche der Zelle 10 leitfähige Streifen 20 aufweisen kann, um eine gute Anhaftung und Leitfähigkeit zwischen den Bändern 28 und der oberen Oberfläche 12 der Zelle 10 zu erleichtern.
Wie 7 bis 9 zeigen, haftet bzw. haften ein oder mehrere leitfähige Bänder 28' typischerweise an der oberen Oberfläche 12' der Zelle 10'. Wie in 7 und 8 gezeigt, kann sich jedes Band 28' in Richtung zur vorderen Kante der Zelle 10' und darüber hinaus erstrecken, wobei es über einem dielektrischen Fleck 24' verläuft und einen freigelegten hinteren Bandbereich 32 jeder gewünschten Länge für eine Verbindung mit einem Schaltkreis verfügbar lässt, wenn die Zelle 10' die letzte Zelle in einer Reihe ist, so dass keine weitere Zelle angrenzend an ihre hintere Kante 18' angeordnet ist. Zum Beispiel wurde herausgefunden, dass ein hinterer Bandbereich mit 70 mm geeignet ist für Zellen mit Abmessungen von 100 mm × 210 mm. Alternativ, wenn eine zusätzliche Zelle (nicht gezeigt) jenseits der hinteren Kante der Zelle 10' angeordnet ist, können die Bänder 28' in einem Bereich nahe der hinteren Kante der Zelle 10' gebogen oder verformt sein, um einen Kontakt mit der unteren Oberfläche der nächsten Zelle in der Reihe herzustellen, im Wesentlichen in gleicher Weise wie die Bänder 28 gebogen oder verformt sind, um die Unterseite der Zelle 10' zu berühren. Typischerweise kann das Band, das auf der oberen Oberfläche derjenigen Zelle, die die vordere Zelle in der Reihe ist, angeordnet ist, einen vorderen Bandbereich für eine geeignete Verbindung zu einem Schaltkreis aufweisen.
Wie in 8 gezeigt, haften auch zusätzliche Bänder 28'' an der unteren Oberfläche 14 der Zelle 10 an. Um dies zu erleichtern, können zusätzliche Tropfen des Haftmittels zwischen der unteren Oberfläche und den Bändern aufgetragen werden, in der gleichen Weise wie die Tropfen 22' zwischen der unteren Oberfläche der Zelle 10' und den Bändern 28 angeordnet sind. Wie im Falle der unteren Oberfläche 14' der Zelle 10', wenn das Substratmaterial der Zelle 10 metallisch oder anderweitig ein guter Leiter ist, dann kann es sein, dass keine leitfähigen Streifen auf der unteren Oberfläche der Zelle 10 benötigt werden, auch wenn solche Streifen in manchen Ausführungsbeispielen auf der unteren Oberfläche angeordnet sein können, um die Anhaftung und/oder Leitung zwischen der Oberfläche und den Bändern zu erleichtern. Wie in 7 und 8 gezeigt, kann jedes am Boden der Zelle 10 anhaftende Band 28'' sich in Richtung zu der vorderen Kante der Zelle 10 und darüber hinaus erstrecken, wodurch ein freigelegter vorderer Bandbereich 34 verfügbar bleibt, wenn die Zelle 10 die erste Zelle in der Reihe ist, so dass keine weitere Zelle angrenzend an ihre vordere Kante 16 angeordnet ist.
Wie im Falle der hinteren Bandbereiche 32 können die vorderen Bandbereiche 34 eine geeignete Länge für eine geeignete Verbindung mit einem Schaltkreis aufweisen, z. B. 70 mm. Wenn eine zusätzliche Zelle (nicht gezeigt) jenseits der vorderen Kante der Zelle 10 angeordnet ist, können die am Boden der Zelle 10 befestigten Bänder 28'' gebogen oder nach oben und über die vordere Kante der Zelle 10 verformt sein, um einen Kontakt mit der oberen Oberfläche der nächsten Zelle in der Reihe herzustellen, im Wesentlichen in der gleichen Weise wie die Bänder 28 gebogen oder verformt sind, um sowohl die untere Oberfläche der Zelle 10' als auch die obere Oberfläche der Zelle 10 zu berühren. Auf diese Weise kann jede beliebige Anzahl von Zellen in einer elektrischen Reihenschaltung verbunden werden, um eine Abfolge oder ein Modul mit jeder gewünschten Spannungs- oder Stromausgangsleistung zu bilden, mit vorderen und hinteren Bandbereichen, die sich von den vorderen und hinteren Kanten der Reihe erstrecken, um eine geeignete Verbindung der Reihe in einen elektrischen Schaltkreis zu ermöglichen.
Die Bänder 28, 28' und 28'', sowie auch alle zusätzlichen Bänder, die eventuell verwendet werden, um eine Reihe von mehr als zwei PV-Zellen zu bilden, werden typischerweise alle aus dem gleichen Material und nach den gleichen Spezifikationen ausgebildet. Das für die Bänder gewählte Material sollte vorzugsweise ein guter Leiter sein, sollte flexibel genug sein, um in einem relativ kleinen Bereich zwischen benachbarten Zellen verformt zu werden, und sollte geeignet sein, sowohl eine sichere Haftung der Zellen und eine zuverlässige elektrische Verbindung zwischen den Zellen aufrechtzuerhalten, auch wenn sie Umweltbedingungen ausgesetzt sind. Kupfer, möglicherweise dünn beschichtet mit einer Metalllegierung, hat sich als geeignet erwiesen, um diese Anforderungen zu erfüllen.
Um die durch Wärme erzeugte Belastung an den Schnittstellen zwischen den Bändern und den Zellen zu verringern, kann das Bandmaterial so gewählt werden, dass es einen Wärmeausdehnungskoeffizienten (TEC) aufweist, der ähnlich dem TEC des Substratmaterials der Zellen ist. Wenn das Substratmaterial zum Beispiel durch TEC₁ gekennzeichnet ist und die Bänder durch TEC₂ gekennzeichnet sind, dann wäre es wünschenswert, Materialien so auszuwählen, dass TEC₂ sich von TEC₁ um weniger als 20% des Werts von TEC₁ unterscheidet, so dass zum Beispiel gilt:
Dies kann möglich sein, auch wenn sich die Materialien der Bänder und des Substrats unterscheiden. Zum Beispiel ist der TEC von Edelstahl ca. 17,3 × 10^–6 K^–1 bei 20°C und der TEC von Kupfer ist ca. 17,0 × 10^–6 K^–1 bei 20°C, ein Unterschied von nur rund 1,8%. Somit können Belastungen zwischen den Bändern und dem Substrat stark verringert werden, wenn z. B. das Zellensubstrat hauptsächlich aus Edelstahl und die Bänder hauptsächlich aus Kupfer bestehen. Wenn Edelstahl für das Zellensubstrat verwendet wird, hat sich herausgestellt, dass ein Kupferband, beschichtet mit einer Plattierungsschicht und dann einer dünnen Schicht aus einer Zinn-/Silberlegierung, ein geeignetes Material für die Bänder ist, das die Wärmeausdehnungsbelastung zwischen den Bändern und den Zellen minimiert. Die Plattierung ist eine Legierung mit geringer Ausdehnung, wie Invar A36, das auf den Kupferkern plattiert oder gebonded wird, um eine bessere Übereinstimmung der Wärmeausdehnungskoeffizienten des Bandes und der Zellenmaterialien zu erzielen. Geeignete Bänder zur Verwendung als Bandmaterial werden zum Beispiel von Torpedo Specialty Wire, Inc. in Rocky Mount, North Carolina hergestellt und als Teil-Nr. 0.005x0.098 LE69 Sn/Ag verkauft.
Das dielektrische Material, das verwendet wird, um eine nicht-leitfähige Barriere an den PV-Zellenkanten bereitzustellen, kann ein Reihe von alternativen Formen zu den oben beschriebenen Flecken 24 annehmen. Die vorliegende Lehre betrachtet lediglich die Verringerung von elektrischen Kurzschlüssen mit einer Form von dielektrischem Material, das zwischen dem leitfähigen Band und einer vorderen Kante der einen PV-Zelle und zwischen dem leitfähigen Band und einer vorderen Kante einer weiteren, angrenzenden Zelle angeordnet ist. Dementsprechend können diese alternativen Formen des dielektrischen Materials entweder die Flecken 24 ersetzen oder in manchen Ausführungsbeispielen zusammen mit den Flecken 24 verwendet werden. Wie z. B. in 10 gezeigt, kann ein dielektrisches Material 24a direkt am leitfähigen Band 28 (sowie Band 28', usw.) in dem Bereich aufgebracht werden, in dem das Band 28 die hintere Kante 18 der Zelle 10 und die vordere Kante 16' der Zelle 10' kreuzt.
Das in 10 gezeigte dielektrische Material 24a kann auf die Bänder als eine Flüssigkeit aufgetragen und z. B. durch Wärme oder UV-Strahlung ausgehärtet werden, bevor die Bänder an den jeweiligen PV-Zellen befestigt werden, oder es kann die Form eines einseitigen oder doppelseitigen Klebestreifens aufweisen, der an den Bändern angebracht wird. Im Falle eines doppelseitigen Klebestreifens können die Hafteigenschaften des dielektrischen Klebestreifens einen zusätzlichen Vorteil aufweisen, nämlich das Bonden jedes Bandes an seiner entsprechenden Zelle im Kantenbereich. Im Falle des einseitigen oder doppelseitigen dielektrischen Klebestreifens sollte der Klebestreifen Abmessungen aufweisen, die geeignet sind, einen unerwünschten elektrischen Kontakt zwischen dem leitfähigen Band und der Zellenkante zu verhindern. Zum Beispiel kann der Klebestreifen teilweise um das Band gewickelt sein, oder er kann das Band in dem Bereich, in dem das Band die Zellenkante kreuzt, vollständig umgeben.
Wie in 11 und 12 gezeigt, ist eine weitere alternative Form der dielektrischen Barriere zwischen den leitfähigen Bändern und den PV-Zellenkanten ein dielektrischer Klebestreifen (24b in 11, 24c in 12), der an den Zellen in den Kantenbereichen, an denen die Bänder, wenn sie befestigt sind, die Zellen kreuzen, angebracht wird. Auch dieser Klebestreifen kann entweder verwendet werden, um die Flecken 24 zu ersetzen oder zusätzlich zu den Flecken 24, und er kann entweder einseitig oder doppelseitig sein, wobei der doppelseitige Klebestreifen den möglichen Vorteil der zusätzlichen Haftung zwischen den Bändern und den Zellen herstellt. Wenn der Klebestreifen auf diese Weise an den Zellen angebracht ist, kann sich der Klebestreifen geringfügig über die Zellenkante hinaus erstrecken, um eine gute Isolierung zwischen dem Band und der Zellenkante sicherzustellen. Der Klebestreifen sollte außerdem breit genug sein, um eine Isolierung über die gesamte Breite eines zu befestigenden Bandes bereitzustellen. Wie z. B. bei Bezugszeichen 24c in 12 gezeigt, kann der Klebestreifen in einzelnen Teilen angebracht sein, von denen jedes geringfügig breiter ist als ein einzelnes leitfähiges Band, oder der Klebestreifen kann sich, wie bei Bezugszeichen 24b in 11 gezeigt, entlang der gesamten Zellenkante, über der das Band kreuzt, erstrecken.
Der dielektrische Klebestreifen, der in der oben beschriebenen Weise verwendet wird, kann aus geeigneten Materialen gefertigt sein, um den Unbillen einer PV-Zellenumgebung über einen langen Zeitraum standzuhalten. Zum Beispiel sollte der Klebestreifen eine Festigkeit und Dicke aufweisen, die ausreichend ist, um ein Durchdringen von scharfen Kanten zu verhindern, die an dem geschnittenen Kantenbereich einer Zelle vorhanden sein können, und er muss in der Lage sein, die Temperaturen und die elektrischen Ströme, die wahrscheinlich in der PV-Zellenumgebung vorhanden sind, auszuhalten. Das dielektrische Material sollte auch chemisch kompatibel mit den anderen Materialen, die in dem PV-Modul verwendet werden, sein, es sollte UV-stabil sein und wäre idealerweise relativ durchsichtig. Geeignete Materialien umfassen z. B. Polyethylen-Terephtalat (PET), beschichtet mit Acryl oder einem anderen wärmehärtenden Haftmittel, oder eine Phenolzusammensetzung, die UV- oder wärmehärtend ist, usw.
Eine Reihe von Verfahren zur Herstellung der Abfolgen und Module aus PV-Zellen werden von der vorliegenden Lehre betrachtet und ein beispielhaftes Verfahren ist in 13 gezeigt und allgemein mit 100 bezeichnet. In Schritt 110 des Verfahrens 100 werden zwei oder mehr PV-Zellen an vorbestimmten Positionen in Bezug aufeinander angeordnet. Das kann die Anordnung erster und zweite PV-Zellen umfassen, oder es kann eine Anordnung zusätzlicher Zellen zur gleichen Zeit umfassen, in Ausführungsbeispielen, in denen drei oder mehr Zellen verbunden werden, um eine Abfolge oder ein Modul zu bilden. In Schritt 120 werden dielektrische Flecken an den Zellen in einer Weise angebracht, die vorher beschrieben wurde. Zum Beispiel kann Schritt 120 ein Anbringen eines ersten dielektrischen Flecks an der oberen Oberfläche der ersten Zelle und der hinteren Kante der ersten Zelle und ein Anbringen eines zweiten dielektrischen Fleckens an der unteren Oberfläche der zweiten Zelle und der vorderen Kante der zweiten Zelle umfassen. Wie oben genau beschrieben wurde, ist der Hauptzweck dieser Flecken, einen unerwünschten elektrischen Kurzschluss zwischen Seiten einer vorgegebenen PV-Zelle mit entgegengesetzter Polarität zu verhindern. Jedoch sollte anerkannt werden, dass Schritt 120 gemäß der vorliegenden Lehre weggelassen werden kann, wenn ein oder mehrere alternative dielektrische Materialien verwendet werden.
In Schritt 130 des Verfahrens 100 wird ein zusätzliches oder alternatives dielektrisches Material angeordnet, wiederum dazu dienend, einen unerwünschten elektrischen Kontakt zwischen der Oberseite und Unterseite einer vorgegebenen Zelle zu verhindern. Schritt 130 kann entweder zusätzlich zu Schritt 120 (und entweder vor oder nach Schritt 120) durchgeführt werden, Schritt 120 kann weggelassen und durch Schritt 130 ersetzt werden, oder Schritt 130 kann weggelassen werden. Mit anderen Worten: Die vorliegende Lehre nutzt jede Kombination von dielektrischen Flecken und/oder anderem dielektrischen Material, um einen elektrischen Kurzschluss an den Kanten der PV-Zellen zu verhindern. Wenn Schritt 130 durchgeführt wird, wird das zusätzliche dielektrische Material positioniert, um so angeordnet zu sein, dass es sowohl die hintere Kante der einen Zelle und die vordere Kante einer angrenzenden Zelle von einem elektrisch leitfähigen Band trennt, das an den Zellen entweder befestigt wurde oder noch zu befestigen ist, wie nachfolgend beschrieben wird. Dementsprechend kann Schritt 130 zum Beispiel ein Beschichten des Bandes mit einem dielektrischen Material, wie eine wärmehärtbare oder UV-härtbare dielektrische Flüssigkeit, oder Wickeln eines einseitigen oder doppelseitigen Klebestreifens um das Band in dem Bereich, in dem es die Kanten der angrenzenden Zellen kreuzen wird, umfassen. Alternativ (oder zusätzlich) kann Schritt 130 ein Aufbringen eines dielektrischen Klebestreifens direkt an den hinteren und vorderen Kanten der PV-Zellen über zumindest den Bereich, an dem das leitfähige Band diese Kanten kreuzen wird, umfassen. Die an den Zellen in Schritten 120 und/oder 130 aufgebrachten dielektrischen Materialien können manuell oder automatisch, z. B. mittels eines Roboters, aufgebracht werden. Dies umfasst sowohl dielektrische Flecken als auch Klebestreifen und flüssige Beschichtungen.
In Schritt 140 wird ein elektrisch leitfähiges Band an der oberen Oberfläche der einen Zelle und an der unteren Oberfläche einer angrenzenden Zelle befestigt, um eine elektrische Reihenverbindung zwischen den zwei Zellen herzustellen. Wie vorher beschrieben, kann das Band an den Zellen mit einem elektrisch leitfähigen Haftmittel befestigt werden, und ein leitender Streifen kann verwendet werden, um die elektrische Verbindung zwischen dem Band und der oberen (die Strahlung aufnehmende) Oberfläche einer vorgegebenen PV-Zelle zu erleichtern. Das Band wird so angeordnet, dass jegliches dielektrisches Material, das verwendet wird, um unerwünschte elektrische Kurzschlüsse an den Zellenkanten zu vermeiden, einschließlich dielektrische Flecken, härtbare Flüssigkeiten und Klebestreifen, usw., zwischen dem Band und den Kantenbereichen der Zellen, die von dem Band gekreuzt werden, während es die angrenzenden Zellen elektrisch verbindet, angeordnet ist. Schließlich sollte anerkannt werden, dass, auch wenn die Verwendung eines einzelnen Bandes in dieser Lehre beschrieben wurde, mehrere Bänder verwendet werden können, um angrenzende PV-Zellen zu verbinden, wobei in diesem Fall beliebige leitende Streifen, leitende Haftmittel, dielektrische Flecken und/oder andere Materialien periodisch entlang der Breite jeder Zelle aufgebracht werden können. Zum Beispiel sind in den 1, 5, 7 und 8 drei Bänder dargestellt, die eine elektrische Verbindung zwischen benachbarten Zellen bilden.
Die obige Offenbarung kann viele eingeständige Erfindungen mit unabhängiger Nutzbarkeit umfassen. Auch wenn jede dieser Erfindungen in ihrer bevorzugten Form offenbart wurde, sind die bestimmten Ausführungsbeispiele derselben, die hier offenbart und gezeigt wurden, nicht als einschränkend zu betrachten, da viele Variationen möglich sind. Der Gegenstand der Erfindungen umfasst alle neuen und nicht offensichtlichen Kombinationen und Unterkombinationen der verschiedenen Elemente, Merkmale, Funktionen und/oder Eigenschaften, die hierin offenbart wurden. Die nachfolgenden Ansprüche heben insbesondere bestimmte Kombinationen und Unterkombinationen hervor, die als neu und nicht offensichtlich betrachtet werden. Erfindungen, die in anderen Kombinationen und Unterkombinationen von Merkmalen, Funktionen, Elementen und/oder Eigenschaften enthalten sind, können in Anmeldungen, die die Priorität aus dieser oder einer verbundenen Anmeldung beanspruchen, beansprucht werden. Solche Ansprüche, ob auf eine andere Erfindung oder die gleiche Erfindung gerichtet, und ob breiter, enger, gleich oder unterschiedlich hinsichtlich des Umfangs der ursprünglichen Ansprüche, werden ebenfalls als innerhalb des Gegenstandes der Erfindungen der vorliegenden Offenbarung betrachtet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 6310281 [0008]
- US 6372538 [0008]
- US 7194197 [0008, 0029]

Claims

Dünnschicht-Photovoltaik-Modul, umfassend: erste und zweite Dünnschicht-Photovoltaik-Zellen, wobei jede Zelle eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist; ein elektrisch leitfähiges Band, das entlang der oberen Oberfläche der ersten Zelle und der unteren Oberfläche der zweiten Zelle angeordnet und an diesen befestigt ist, um eine elektrische Reihenverbindung zwischen der ersten und der zweiten Zelle zu bilden; und ein dielektrisches Material, das zwischen dem leitfähigen Band und einer hinteren Kante der ersten Zelle und zwischen dem leitfähigen Band und einer vorderen Kante der zweiten Zelle angeordnet ist.
Modul nach Anspruch 1, ferner umfassend ein Sammelgitter, das entlang der oberen Oberfläche der ersten Photovoltaikzelle angeordnet ist, wobei das elektrisch leitfähige Band an dem Sammelgitter befestigt ist.
Modul nach Anspruch 2, ferner umfassend einen leitfähigen Streifen, der entlang der oberen Oberfläche der ersten Zelle angeordnet ist, wobei das leitfähige Band an dem leitfähigen Streifen mit einem ersten, im Wesentlichen linearen Tropfen eines elektrisch leitfähigen Haftmittels anhaftet, und wobei das leitfähige Band an der unteren Oberfläche der zweiten Zelle mit einem zweiten, im Wesentlichen linearen Tropfen eines elektrisch leitfähigen Haftmittels anhaftet.
Modul nach Anspruch 3, wobei die erste und zweite Zelle eine im Wesentlichen ähnliche Länge aufweisen, wobei der leitfähige Streifen, der erste Tropfen des elektrisch leitfähigen Haftmittels und das leitfähige Band sich jeweils über zumindest 60 Prozent der Länge der ersten Zelle erstrecken, und wobei der zweite Tropfen des elektrisch leitfähigen Haftmittels und das leitfähige Band sich jeweils über zumindest 60 Prozent der Länge der zweiten Zelle erstrecken.
Modul nach Anspruch 2, wobei das dielektrische Material einen ersten dielektrischen Flecken, der an der oberen Oberfläche der ersten Zelle und der hinteren Kante der ersten Zelle anhaftet, und einen zweiten dielektrischen Flecken, der an der unteren Oberfläche der zweiten Zelle und der vorderen Kante der zweiten Zelle anhaftet, umfasst.
Modul nach Anspruch 2, wobei das dielektrische Material eine erste Schicht eines dielektrischen Klebestreifens, der die hintere Kante der ersten Zelle in einem Bereich, in dem das leitfähige Band die hintere Kante kreuzt, bedeckt, und eine zweite Schicht eines dielektrischen Klebestreifens, der die vordere Kante der zweiten Zelle in einem Bereich, in dem das leitfähige Band die vordere Kante kreuzt, bedeckt, umfasst.
Modul nach Anspruch 2, wobei das dielektrische Material in Bereichen, in denen das Band die hintere Kante der ersten Zelle und die vordere Kante der zweiten Zelle kreuzt, direkt auf das leitfähige Band aufgebracht ist.
Modul nach Anspruch 7, wobei das dielektrische Material auf das leitfähige Band als eine aushärtbare Flüssigkeit aufgebracht wird.
Modul nach Anspruch 7, wobei das dielektrische Material ein dielektrischer Klebestreifen ist, der das Band umgibt.
Abfolge aus Dünnschicht-Photovoltaikzellen, umfassend: erste und zweite flexible Dünnschicht-Photovoltaikzellen, wobei jede Zelle eine obere Oberfläche und eine untere Oberfläche aufweist; einen ersten dielektrischen Fleck, der an der oberen Oberfläche der ersten Zelle befestigt ist und zumindest einen Bereich einer hinteren Kante der ersten Zelle überlappt; einen zweiten dielektrischen Fleck, der an der unteren Oberfläche der zweiten Zelle befestigt ist und zumindest einen Bereich einer vorderen Kante der zweiten Zelle überlappt; ein Sammelgitter, das entlang der oberen Oberfläche der ersten Zelle angeordnet ist; und ein erstes elektrisch leitfähiges Band, das entlang der oberen Oberfläche der ersten Zelle angeordnet ist und durch ein elektrisch leitendes Haftmittel an dem Sammelgitter anhaftet, über den ersten und zweiten dielektrischen Flecken verläuft und an der unteren Oberfläche der zweiten Zelle durch das elektrisch leitfähige Haftmittel anhaftet.
Abfolge nach Anspruch 10, wobei die hintere Kante der ersten Zelle und die vordere Kante der zweiten Zelle jeweils eine Dicke aufweisen, wobei der erste dielektrische Fleck im Wesentlichen die gesamte Dicke der hinteren Kante der ersten Zelle überlappt, und wobei der zweite dielektrische Fleck im Wesentlichen die gesamte Dicke der vorderen Kante der zweiten Zelle überlappt.
Abfolge nach Anspruch 10, wobei die obere Oberfläche der ersten Zelle einen im Wesentlichen linearen leitfähigen Streifen umfasst, der ausgelegt ist, die elektrische Leitfähigkeit zwischen der ersten Zelle und dem leitfähigen Band zu erhöhen, und wobei das Band an der oberen Oberfläche der ersten Zelle durch einen im Wesentlichen linearen Tropfen eines elektrisch leitfähigen Haftmittels anhaftet, das entlang zumindest eines Bereichs des leitfähigen Streifens aufgetragen ist.
Abfolge nach Anspruch 10, ferner umfassend eine dielektrische Beschichtung, die auf das leitfähige Band aufgebracht wird und ausgelegt ist, die hintere Kante der ersten Zelle und die vordere Kante der zweiten Zelle zu überlappen.
Abfolge nach Anspruch 13, wobei die dielektrische Beschichtung auf das leitfähige Band als eine aushärtbare Flüssigkeit aufgebracht wird.
Abfolge nach Anspruch 13, wobei die dielektrische Beschichtung eine Schicht aus einem dielektrischen Tape ist, das zumindest teilweise um das leitfähige Band gewickelt ist.
Abfolge nach Anspruch 10, ferner umfassend: einen ersten Bereich eines dielektrischen Klebestreifens, der auf die erste Zelle aufgebracht wird und ausgelegt ist, das leitfähige Band elektrisch von der hinteren Kante der ersten Zelle zu trennen; und einen zweiten Bereich eines dielektrischen Klebestreifens, das auf die zweite Zelle aufgebracht wird und ausgelegt ist, das leitfähige Band elektrisch von der vorderen Kante der zweiten Zelle zu trennen.