DE2139850A1

DE2139850A1 - Verfahren und einrichtung zur verbindung von kontakten an solargeneratoren

Info

Publication number: DE2139850A1
Application number: DE2139850A
Authority: DE
Inventors: Joerg Gehrke
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1971-08-09
Filing date: 1971-08-09
Publication date: 1973-02-15
Also published as: FR2148547A1; FR2148547B3; GB1385112A; IT963824B

Description

Idcentia Patent-Verwaltungs G_em,b.H-ffrankfurt/Main 70, Theodor-Stern-Kai 1

E.-Nr.: HH 71/33

"Verfahren und Einrichtung zur Verbindung von Solargeneratoren"

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Verbindung von Eontaktsteilen an Bauteilen und Bauaggregaten von mit Solarzellen ausgerüsteten Solargeneratoren und auf eine Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens. Bekanntlich werden zur Energieerzeugung auf im Weltraum arbeitenden Satelliten oder Raumstationen sogenannte Solargeneratoren verwendet, die aus einer Vielzahl von Solarzellen zusammengesetzt sind. Diese die Sonnenstrahlungsenergie in elektrische Energie umwandelnden Solarzellen, deren Fläche üblicherweise nur wenige QuadratZentimeter groß ist, sind zur Erzeugung einer ausreichend hohen elektrischen Energie im S₀Iargenerator mit einer Vielzahl gleichartiger Zellen zusammengeschaltet, wobei mehrere Zellen in Seihe zu sogenannten "Moduln" und mehrere "Moduln" zu sogenannten "strings" in Reihe zusammengeschaltet werden.

Um nun die einzelnen Zellen beziehungsweise "Moduln" oder "strings" elektrisch leitend zu verbinden, ist es bekannt, ein Lötverfahren zu verwenden. Gelötete Solarzellenverbindungen können jedoch nur begrenzt hohen bzw. tiefen Tempera-

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türen ausgesetzt werden· Zum einen setzt die Schmelztemperatur des Lotes der Arbeitstemperatur eine verhältnismäßig niedrige Grenze, die bei andauernder Sonneneinstrahlung sehr schnell erreicht werden kann» zum anderen können durch zu tiefe Temperaturen, beispielsweise beim Durchgang durch Schattenphasen, die Lötverbindungsstellen zu spröde werden, so daß die Gefahr von Sprödbrüchen an den Kontaktstellen auftritt.

Um diese Schwierigkeiten zu vermeiden, ist es auch schon bekannt, die Kontaktstellen an den Solarzellen, an den Verbindern und dergleichen durch elektrische Widerstandsschweißung zu verbinden. Bei diesem Verfahren werden die miteinander zu verbindenden Teile mittels parallel geführter Elektroden aufeinandergepreßt, wobei ein relativ hoher Druck zur Erzielung einea guten notwendigen Kontaktes aufgewendet wird« Bei unsachgemäßer Behandlung kann es infolge des aufgewendeten hohen Elektrodendruckes zum Bruch von Zellen oder besonders von die Zellen bedeckenden Deckgläsern kommen· Die Gefahr des Deckgläserbruches besteht besonders deshalb, da diese auf der Zelle leicht federnd aufliegen. Auch sind die Herstellungskosten bei Verwendung des Widerstandsschweißverfahren verhältnismäßig hoch, da die Elektroden' laufend nachgesäubert werden müssen, weil nach jedem Schweißvorgang Verbindermaterial an ihnen zurückbleibt.

Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe besteht daher darin, ein Verfahren und eine Einrichtung zur Verbindung solcher Kontaktstellen an Bauteilen und Bauaggregaten von Solargeneratoren zu schaffen, bei dem die oben genannten Schwierigkeiten und Nachteile vermieden werden und bei dem insbesondere der zur Herstellung der elektrischen Verbindung

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erforderliche Andruck verhältnismäßig niedrig "bleibt und mit dem außerdem ein schnelleres und einfacheres Arbeiten ermöglicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung die Anwendung eines Impuls- Laser- Schweißverfahrens vorgeschlagen, bei dem mit Hilfe eines Impuls- Lasers ein in der Energie begrenzter oder mehrere in zeitlichem Abstand aufeinander-* folgende Laserimpulse geringerer Energie auf die Kontaktstellen gerichtet werden.

Das Schweißen mit Hilfe von Lasern ist an sich schon bekannt und auf vielen Anwendungsgebieten auch schon mit Erfolg durchgeführt worden« Jedoch bedurfte die Anwendung dieses an sich bekannten Verfahrens zur Verbindung von Kontaktstellen an Bauteilen und Bauaggregaten von mit Solarzellen ausgerüsteten Solargeneratoren besonderer Überlegungen, da die üblicherweise beim Laserschweißverfahren verwendeten Energien so groß sind, daß bei deren Anwendung ein Verdampfen des Verbindermaterials auftreten würde. Gemäß der Erfindung wurde daher vorgeschlagen, einen Impulslaser heranzuziehen, bei dem ein Impuls mit vorgegebener Energie oder einige wenige in zeitlichem Abstand aufeinanderfolgende Impulse von geringerer Energie auf die zu verschweißenden Kontaktstellen gerichtet werden. Die Energie und die zeitliche Folge der Laserimpulse muß dabei so dosiert werden, daß Verspannungen in den zu verbindenden Materialien mit Sicherheit ausgeschlossen werden; auch braucht das zum Beispiel als Silber vorliegende Verbindermaterial nicht zum Fliessen zu kommen, sondern es reicht eine solche Sinterung der beiden aufeinanderliegenden Silberflächen aus, daß eine genügende Haftfähigkeit gewährleistet ist.

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Die wesentlichen mit der erfindungsgemäßen Anwendung des Laserschweißverfahrens erzielbaren Vorteile bestehen darin, daß zur Herstellung einer Schweißverbindung kein großer Andruck der miteinander zu verbindenden Teile erforderlich ist, sondern praktisch nur ein Positionieren und Niederhalten der beiden miteinander zu verbindenden Teile zum Zwecke der Herstellung einer Berührung zu erfolgen braucht. Ein Bruch der Solarzellen oder der Deckgläser kann ausgeschlossen werden, da das eigentliche Schweißverfahren berührungslos abläuft. Auch die Gefahr von Verspannungen oder Verschiebungen der beiden miteinander zu verbindenden Teile ist wegen des fehlenden Andruckes nicht zu befürchten. Weiterhin ergibt sich als Vorteil, daß die zur Schweißung erforderliche Energie genau gezielt an die Kontaktstelle gebracht werden kann und daß ein reproduzierbarer, immer unter gleichen Verhältr nissen ablaufender Schweißvorgang erzielt wird.

Zur Durchführung des Verfahrens wird gemäß der Erfindung eine Einrichtung vorgeschlagen, bei der eine Impuls- Laser— Schweißmaschine und eine die zu verbindenden Bauteile überdeckende Schweißschablone vorgesehen sind, wobei die Schweißschablone die zu verbindenden Kontaktstellen der Bauteile miteinander in Berührung bringt und an den Schweißstellen Aussparungen für den Durchtritt des Laserstrahles aufweist. Gemäß einer Weiterbildung des Gegenstandes der Erfindung soll eine Impuls-Laser- Schweißmaschine vorgesehen sein, bei der gleichzeitig mehrere Laser-Impulse ausgesendet werden. Dabei ist es zweckmäßig, wenn die einzelnen gleichzeitig von dem Impuls-Laser ausgesandten Laserimpulse so ausgerichtet sind, daß in der Schweißebene mehrere auf einer Geraden oder einer anderen beliebigen Anordnung liegende Schweißpunkte erzeugt werden·

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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden an Hand der Zeichnung, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung zeigt, näher beschrieben.

Es zeigen Figur 1 eine Draufsicht auf eine Solarzelle mit den zu verbindenden Kontaktstellen»

Figur 2 eine seitliche Ansicht einer solchen mit einem Deckglas versehenen Solarzelle und

Figur 3 eine schematische Darstellung des Schweißvorganges zur Verbindung der Oberseiten-Kontakte einer Solarzelle mit einem Verbinder.

In der Figur 1 ist mit 1 eine Solarzelle bezeichnet, die beispielsweise aus Silizium besteht und unmittelbar unterhalb der Zellenoberfläche ihren p-n- Übergang hat. Um die in der Zelle gebildete elektrische Energie abführen zu können, weist die Oberfläche der Solarzelle (1) Qridfinger (2), eine Querleiterbahn 3 sowie in diesem Beispiel drei Kontakte 4 auf. Die ßridfinger 2, die Querleiterbahn 3 und die Kontakte 4 bestehen jeweils aus auf der Oberfläche der Solarzelle 1 aufgedampftem Silber, Auch die Unterseite der Solarzelle weist eine aufgedampfte Silberschicht 5 auf, die bis auf die Randpartien die gesamte Fläche der Solarzelle bede^ct (Figur 2). Die elektrisch leitende Verbindung der einzelnen Zellen untereinander erfolgt mittels sogenannter Verbinder 6, die aus versilberten Molybdänoder reinen Silberstreifen bestehen. Diese Verbinder 6 weisen einen Ausgleichsbogen 7 auf, um durch thermische Einflüsse bedingte Verschiebungen der Solarzellen untereinander in einem gewissen Grade zuzulassen· Mit diesen Verbindern 6 werden die einzelnen Solarzellen in Eeihenschaltung zu sogenannten Moduln zusammengeschaltet, wobei ein Verbinder 6 jeweils einen an der Oberfläche einer Zelle liegenden Silberkontakt 4 mit der an der Unterseite der benachbarten Zelle liegenden Silber-

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schicht 5 verbindet.

Wie aus Figur 2 hervorgeht, wird nach Herstellung der "Verbindung auf der Zellenoberseite die Solarzelle 1 mit einem Deckglas 8 mittels eines Klebers 9 bedeckt. Diese Abdeckung der Solarzellen mit den Deckgläsern erfolgt zu dem Zweck, die einzelnen Zellen vor Degradation durch den Einfluß von Kleinstmeteoriten und / oder hochenergetischer Strahlung zu schützen.

In der Figur 3 ist nun eine Einrichtung gezeigt, mit der die Verbindung der Solarzellen 1 mit einem Verbinder 6 vorgenommen wird. Dazu ist eine Laserimpuls-Schweißmaschine 13 vorgesehen, die Laserimpulse auf die zu verbindenden Stellen sendet. Sine Schweißschablone 10 dient dazu, den Verbinder 6 an den Kontaktstellen 4· der Solarzelle 1 zu positionieren und so niederzudrücken, daß eine Berührung der zu verschweißenden Oberflächen hergestellt wird. Die Schweißschablone 10 weist Aussparungen 11 für den Ausgleichsbogen 7 des Verbinders und Aussparungen 12 für den Durchgang der Laserimpulse auf. Bei Verwendung einer Schweißmaschine 13» die gleichzeitig mehrere Laserimpulse aussenden kann, können mit einem Arbeitsgang " sofort die drei an der Oberfläche der Solarzelle liegenden Silberkontakte 4- mit Verbindern 6 verschweißt werden, wobei eine mit entsprechenden Aussparungen 12 versehene Schablone 10 vorgesehen ist·

Nach der Verschweißung der Verbinder 6 mit den Kontakten 4-an der Oberfläche der Solarzelle 1 wird die auf der Unterlage 14· liegende Solarzelle umgedreht und die Verschweißung der Verbinder 6 mit der Silberschicht 5 auf der Unterseite der benachbarten Zelle vorgenommen.

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Hierbei kann eine entsprechend ausgebildete flache Schablone verwendet werden, die lediglich Aussparungen an den Schweißstellen aufweist.

Neben der Verschweißung der Solarzellen mit den Verbindern 6 zu Moduln können nun auf gleiche Weise auch die Verbindungen der auf Substrate aufgeklebten Moduln mittels Laserschweißung hergestellt werden. Neben diesen Modul- Modulνerbindungen* können auch in gleicher Weise die auf dem Substrat vorgesehenen Leiterbahnen miteinander verbunden werden. Mitunter werden auch die Deckgläser untereinander verschaltet, wobei an den Ecken der Deckgläser Silberkontakte aufgedampft sind und diese Eontakte mittels elektrisch leitenden Verbindungen auf einheitliches elektrisches Potential gebracht werden. Auch dafür läßt sich das 'oben beschriebene Laserschweißverfahren mit Vorteil verwenden, da auch dort die Gefahr von Brüchen, beispielsweise der Deckgläser oder der Solarzellen, infolge des auf die Verbindungsstellen ausgeübten Druckes bei der Verwendung des Widerstandsschweißens entstehen kann.

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur Verbindung von Kontaktstellen an Bauteilen und Bauaggregaten von mit Solarzellen ausgerüsteten Solargeneratoren, gekennzeichnet durch die Anwendung eines Impuls- Laser-Schweiß verfahr ens , bei dem mit Hilfe eines Impuls- Lasers ein in der Energie begrenzter oder mehrere in zeitlichem Abstand aufeinanderfolgende Laserimpulse geringerer Energie zur Herstellung der Kont'aktverbindung auf die Kontaktstellen gerichtet werden.
2. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Impuls- Laser- Schweißmaschine (I3) und eine die zu verbindenden Bauteile (1,6) überdeckende Schweißschablone (1O), die die zu verbindenden Kontaktstellen der Bauteile miteinander in Berührung bringt und an den Schweißstellen Aussparungen (12) für den Durchtritt der Laserstrahlen aufweist, vorgesehen sind.
3. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Impuls- Laser- Schweißmaschine (I3) vorgesehen ist, bei der gleichzeitig mehrere Laserimpulse ausgesendet werden«
4. Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen, gleichzeitig von dem Impuls-Laser ausgesandten Laserimpulse so ausgerichtet sind, daß in der Schweißebene mehrere auf einer Geraden oder einer anderen geometrischen Anordnung liegende Schweißpunkte erzeugt werden.

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ORIGINAL INSPECTED