-
Verfahren zum Herstellen eines Solarzellenmoduls
-
und Solarzellenmodul
Verfahren zum Herstellen eines
Solarzellenmoduls und Solarzellenmodul Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum
Herstellen eines Solarzellenmoduls nach dem Oberbegriffs des Patentanspruches 1.
-
Im Allgemeinen besteht ein Solarzellenmodul aus einer Anordnung einzelner
Solarzellen, die elektrisch unter einander verbunden und in einer Schutz- und Lagerumhüllung
untergebracht sind.
-
Insbesondere sind die einzelnen Solarzellen des Moduls in Spalten
und Zeilen angeordnet und durch flexible oder biegsame Zwischenleitereinrichtungen
untereinander verbunden, die derart positioniert sind, daß die Zellen in der erforderlichen
Reihen- und/oder Parallel-Schal-
tungsanordnung verbunden sind.
Die Schaltungsanordnung hängt von der gewünschten Ausgangsspannung und dem gewünschten
Ausgangsstrom im Modul-Spitzenleistunqspunkt ab. Die Flexibilität in den Zwischenleitern
erlaubt eine geringe Bewegung der einzelnen Zellen in der Anordnung ohne einen Bruch
der elektrischen Verbindungen.
-
Eine Schutzumhüllung oder ein Gehäuse wird verwendet, um die Solarzellen
und die Zwischenverbindungseinrichtungen vor einer Verschlechterung als Ergebnis
von Umgebungsbedingungen zu schützen, wie beispielsweise vor Feuchte -, Schmutz-,Wind-,
Schnee- und Eisschäden und dergleichen.
-
Insbesondere besteht das Gehäuse aus einer starren Lagerstruktur,
aus der die Solarzellen befestigt sind, und aus einer oberen lichtdurchlässigen
Umhüllung, durch die die Solarstrahlung verläuft, bevor sie auf die aktiven Solarzellen
auftrifft. Oft wird eine starre, lichtdurchlässige Oberschicht als zusätzlicher
Schutz vorgesehen, da die Umhüllungsoberfläche durch Tiere, Hagel usw.
-
beschädigt werden kann. In jüngster Zeit besteht eine Tendenz zur
Verwendung einer optisch klaren Deckschicht, um nicht nur die Solarzellenanordnung
vor Umgebungsgefahren zu schützen, sondern auch um als Aufbaulager für die Anordnung
zu dienen. Offenbar bietet eine Solarzellenanordnung mit einem einzigen Material,
das als Lagerfläche und als Schutzpackungsmaterial für die Solarzellen dient, bedeutende
wirtschaftliche Vorteile; jedoch ist das Verbinden der Solarzellen mit einer starren
lichtdurchlässigen Deckschicht mit beträchtlichen technischen Problemen verknüpft.
Da beispielsweise die lichtdurchlässige Deckschicht aus einer im Wesentlichen flachen
ebenen Lage eines starren, lichtdurcllltissigen elektrisch nicht leitenden Materials,
wie beispielsweise Glas, besteht, ist ein Haftstoff erforderlich, um eine Anordnung
von Solarzellen auf der Bodenfläche einer derartigen Deck-
schicht
zu befestigen. Zu diesem Zweck werden elektrisch nicht leitende, lichtdurchlässige
Kunststoffharze, wie beispielsweise Silikongummi und dergleichen, die als Umhüllungsstoffe
für jede Art elektronischer Gehause benutzt werden, als Haftstoffe verwendet. Es
ist zu betonen, daß die Höhe der Elektroden auf der Oberfläche jeder Solarzelle
in der Anordnung von den anderen Solarzellen abweichen kann. Die Höhe der Zwischenleiter,
gemessen von der Oberseite der Solarzellen, kann sich ebenfalls verändern. Zusätzlich
kann eine geringe Bewegung der umkapselten Zellen während der Verwendung des Moduls
auftreten. Folglich ist es insbesondere von Bedeutung, die Zellen während der Umhüllung
so gleichmäßig als möglich auszurichten, um die Entstehung von (mechanischen) Beanspruchungen
insbesondere dann zu vermeiden, wenn eine Elektrode oder ein Zwischenleiter die
Deckschicht berühren kann. Bisher war ein oberes Ausrichten der Zellen und Zwischenleiter
faktisch unmöglich zu erzielen, und statt dessen wird eine beträchtliche Dicke der
Umhüllung beim Verbinden der Solarzellenanordnung mit der Deckschicht verwendet.
Der Einsatz großer Mengen an Umhüllungsmaterial ist aufwendig. Zusätzlich muß unbedeingt
gewährleistet werden, daß die Umhüllung frei von Luftblasen und dergleichen ist,
die eine Verschlechterung des Moduls verursachen, wenn dieser der Solarenergie ausgesetzt
wird.
-
Durch die Erfindung soll daher ein Verfahren zum Herstellen eines
Solarzellenmoduls mit einer lichtdurchlässigen Deckschicht und einer auf dem Boden
der Deckschicht mittels einer lichtdurchlässigen Umhüllung befestigten Solarzellenanordnung
geschaffen werden, das einfach, reproduzierbar und relativ rasch durchführbar ist
und eine möglichst geringe Menge an Umhüllungsmaterial verwendet,
wobei
dennoch Spitzen- oder Punktkontaktbeanspruchungen vermieden werden.
-
Der erfindungsgemäße Solarzellenmodul wird hergestellt, indem eine
Anordnung von Solarzellen in eine geeignete Form mit einer Bodenfläche, einer Eingangsöffnung
und einer Ausgangsöffnung gebracht wird. Eine lichtdurchlässige Deckschicht dient
wirksam als die Oberschicht der Kopf für die Form und wird über die Anordnung der
Solarzellen in der Form gebracht. Die Deckschicht ist von der Anordnung so beabstandet,
daß sie nicht in Kontakt oder Berührung mit der Oberseite von irgendeiner der Zellen
oder Zwischenleitern der Solarzellenanordnung kommt. Eine Klemmeinrichtung ist vorgesehen,
um die Deckschicht in ihrer Lage zu halten, während der Umhüllungsstoff in die Form
unter Druck durch die Einlaßöffnung in einer zum Füllen der Form ausreichenden Menge
gepumpt wird. Danach kann die Anordnung in einen Ofen gebracht und für eine Zeit
erwärmt werden, die zum Aushärten der Umhüllung und zum Verbinden der Materialien
ausreicht.
-
Nachfolgend wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben,
in der einander entsprechende Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind.
-
Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Teilseitensicht einer photovoltaischen
Vorrichtung nach der Erfindung, Fig. 2 eine schematische Teilseitensicht einer anderen
photovoltaischen Vorrichtung nach der Erfindung, Fig. 3 eine schematische Draufsicht
zur Erläuterung des erfindungsgemäßen Verfahrens und Fig. 4 einen vergrößerten Schnitt
4-4 von Fig. 3.
-
In der Fig. 1 ist ein Solarzellenmodul mit mehreren Solarzellen 1
gezeigt, die geeignet angeordnet sind, wie beispielsweise in linearen Reihen oder
Zeilen.
-
Jede Solarzelle ist ausgestattet mit der üblichen Bodenelektrode,
die die gesamte Oberfläche der Solarzellen 1 bedeckt, und einerOber- oder Kopfelektrode
aus mehreren außergewöhnlich dünnen elektrischen leitern, die in üblicher Weise
mit einem elektrischen Hauptleiter oder einer Sammelschiene 2 verbunden sind. Die
Solarzellen sind mittels streifenförmiger Zwischenleitereinrichtungen 3 untereinander
verbunden. So ist die Bodenelektrode von einer Zelle mit der Haupt- oder Sammelschienenelektrode
2 der nächsten benachbarten Zelle mittels der Zwischenleiter 3 verbunden Die Vielzahl
der in geeigneter Weise angeordneten und untereinander verbundenen Solarzellen 1
ist auf der Bodenfläche einer Deckschicht 5 gelagert. Die Deckschicht
5
ist ein elektrisch nicht leitendes, starres lichtdurchlässiges bzw. transparentes
Material, das ein Polymer oder Glas oder dergleichen sein kann. Vorzugsweise besteht
die Deckschicht 5 aus einem hochdurchlässigen getemperten Glas eines geringen Eisengehaltes,
wie beispielsweise aus dem von der Firma ASG Inc., Kingsport, Tennessee, USA vertriebenen
Sunadex-Glas.
-
Die Solarzellen 1 sind eingekapselt und verbunden mit der Deckschicht
5 durch ein geeignetes lichtdurchlässiges, elektrisch nicht leitendes Umhüllungsmaterial
7, wie beispielsweise denjenigen Umhüllungsmaterialien, die allgemein in der Elektronik
und Solarzellen-Technik üblich sind. Derartige Umhüllungen umfassen Silikongummi,
und dergleichen.
-
Über der Rückfläche des Moduls und wenigstens in den Stegbereichen
zwischen den Solarzellen liegt eine Lichtstreufläche 6, die zur Reflexion einfallender
Solarstraklung, die auf die Stegbereiche zwischen die Zellen auftrifft, in diffuser
Weise dient, so daß der größte Anteil des auf die Stegbereiche einfallenden Lichtes
nach innen durch die Umhüllung und das Glas zurück auf die Oberfläche der Solarzelle
reflektiert wird. Dieser Rück-¢troufilm kann lediglich weiße Farbe sein; jedoch
ist es erfindungsgemäß vorteilhaft, daß eine dünne Schicht eines weißen Kunststoff-Filmes
verwendet wird; allgemein verfügbare Filme, die im Handel unter dem Namen Mylar
und Tedlar von der Firma duPont, Wilmington, Delaware,USA, bzw. unter dem Namen
Kodar von der Firma Eastman Kodak, Rochester, New York, USA, erhältlich sind, werden
für die Lichtstreufilme bevorzugt. Es sei darauf hingewiesen, daß in dem in Fig.
2 gezeigten Ausführungsbeispiel das weiße Schichtmaterial 6a wärmegeformt ist, um
so die erhöhten Stegbereiche zwischen den einzelnen Solarzellen
zu
erzeugen, wodurch die Menge in Umhuliungsma~erial 7 verringert wird, das beim Verbinden
und optischen Koppeln der Zellen mit der Lichtstreufläche verwendet wird. Diese
Unterlag- oder Rückeinheit 6 oder die wärmegeformte Rückeinheit 6a kann in vorteilhafter
Weise eine Faser- bzw. Textur-Oberfläche wenigstens in den Stegbereichen aufweisen,
um dadurch weiter das Streuen des auf diese Stegbereiche auftreffenden Lichtes zu
steigern. Diese Oberflächen-Strukturieren kann beispielsweise durch Sandblasen,
Saugstreuen bzw. Schleifen beabsichtigtes Fazettieren und dergleichen erfolgen.
-
Bisher werden Solarzellenmodulen der hier beschriebenen Art hergestellt,
indem zunächst eine Form mit einer geeigneten Umhüllung gefüllt wird, und indem
danach eine Anordnung von Solarzellen in der Umhüllung aufgeschwemmt wird. Diese
Anordnung sinkt anschließend in die Umhüllung und wird durch diese bedeckt. Schließlich
wird eine starre Deckschicht auf die Oberseite der noch fließenden oder flüssigen
Umhüllung gebracht, und schließlich wird die Anordnung bei Umgebungsbedingungen
während Zeitperioden von 12 - 48 Stunden ausgehärtet. Das Aufschwemmen der Solarzellen
in der Umhüllung erlaubt nicht ein Ausrichten der Oberseite der Solarzellen zur
Deckschicht. Folglich wird eine relativ große Menge an Umhüllungsmaterial verwendet,
um eine angemessene Dicke der Umhüllung insbesondere im Bereich zwischen der Oberseite
der einzelnen Solarzellen und der starren Oberseiteneinheit zu gewährleisten, wodurch
die Bildung von Kontaktbeanspruchspunkten umgangen oder verhindert wird.
-
Die Erfindung ermöglicht ein verbessertes Verfahren zum Zusammenbauen
eines Solarmoduls, das die Menge an verwendetem Umhüllungsmaterial möglichst klein
macht und Kontaktbeanspruchungspunkte in der Vorrichtung vermeidet.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren meidet auch lange Verarbeitungszeiten,
wodurch seine wirtschaftliche Bedeutung besonders hervorgehoben wird.
-
Das erfindungsgemäße Verfahren wird anhand der Figuren 3 und 4 näher
erläutert. Grundsätzlich ist eine Form 8 vorgesehen, die einen im Allgemeinen rechteckförmigen
ausgesparten Bereich einer Tiefe gleich der weitesten Dicke des Solarzellenmoduls
besitzt.
-
Die Länge und die Breite der Aussparung in der Form ist im wesentlichen
gleich der Länge und der Breite des ungefähr her zustellenden Solarzellenr#oduIs.
Im bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung wird die Form zunächst mit einem
dünnen r.icht-Streumaterial, wie beispielsweisettylar-Tedlar- oder Kodar-Filmen
(vgl. oben) ausgelegt. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung eines wärmegeformten
Kodar-Filmes mit erhöhten Stegbereichen (vgl. auch das Bezugszeichen 12 in Fig.
2) Nachdem die weiße Rückeinheit mit der nach oben zugekehrten Oberfläche in der
Form angeordnet wurde, wird eine (nicht gezeigte) Schablone mit mehreren kreisförmigen
Öffnungen entsprechend der ungefähren Lage jeder Solarzelle in einer Solarzellenanordnung
in die Form gebracht. Danach wird ein dünner Film eines Haftstoffes, wie z.B. eines
wärmehårtbaren Umhüllungsmaterials, zu jeder weitesten Solarzellenlage gebracht,
d.h. zu jeder öffnung in der Schablone. Insbesondere ist der benutzte.tiaftstoff
das gleiche Material wie das beim Herstellen des Moduls verwendete Umhüllungsmaterial.
So können für den Haftstoff Silikongummi- Umhüllungsmaterialien verwendet werden,
wie beispielsweise Materialien, die unter den 1Iandelsnamen GEG15 und DC184 durch
die-Firma General Electric Company, Waterford, New York, USA, bzw. Dow
Corning
Corporation, Midland, Michigan, USA, vertrielven werden. Grundsätzlich gewährleistet
der Haftstoff, daß die Zellen der Anordnung in im Wesentlichen festgelegter Stellung
während der folgenden Herstellungsschritte bleiben.
-
Auf jeden Fall ist die Menge des verwendeten IIaftstoffes gerade so
groß, daß sie ausreicht, um jede Solarzelle der Anordnung mit der Rückeinheit zu
verbinden, wie dies oben erläutert wurde. Insbesondere liegt beispielsweise die
aufgetragene Haftstoffmenge im Bereich zwischen ca. 4 g und 6 g für eine Solarzelle.
Im Allgemeinen wird der Haftstoff als ein Tropfen oder ein Kügelchen in jede Öffnung
aufgetragen, die in der Schablone vorgesehen ist. Er muß nicht gefärbt oder ausgestrichen
werden, was auf Gründen beruht, die weiter unten näher erläutert werden.
-
Wenn ein flaches Stück eines Lichtstreumaterials nicht verwendet wird,
sondern vielmehr das wärmegeformte Material 6a benutzt und in die Form gebracht
wird, dann ist weder die Schablone noch der Haftstoff erforderlich, da die durch
die erhöhten Stegbereiche gebildeten Gruben während der anschließenden Verarbeitung
die Bewegung der darauf gelegten Zellen begrenzen. Gegebenenfalls wird der Haftstoff
benutzt, und die erforderliche Menge an Haftstoff wird lediglich in jede der Gruben
gebracht, die durch die erhöhten Stegbereiche gebildet sind, die in der wärmegeformten
Rückeinheit 6a vorgesehen sind.
-
Es sei darauf hingewiesen, daß in diesen Zellen bei Benutzung einer
Schablone diese entfernt wird, nachdem die erforderliche Menge an Haftstoff auf
die weiße Rückeinheit gebracht und gelegt wurde.
-
Nach dem Anbringen des Haftstoffes und dem Entfernen der Schablone
in geeigneten Zeitpunkten wird die Anordnung der zuvor untereinander verbundenen
Solarzellen in die Form auf die Haftstoffe gebracht. Dann wirkt Druck auf die Solarzellen
in einer ausreichenden Größe ein, damit gewährleistet ist, daß der Haftstoff über
die gesamte Rückfläche jeder Solarzelle der Solarzellenanordnung fließt. Im Allgemeinen
ist eine Druckeinwirkung von ca. 0,4 - 0,5 lb/Zelle bzw. ca. 0,18 kp/Zelle bis ca.
0,23 kp/Zelle ausreichend. Vorzugsweise wirkt der erforderliche Druck ein, in dem
eine mit Gewichten versehene Haltevorrichtung auf die Anordnung gelegt wird.
-
Die Haltevorrichtung ist so aufgebaut, daß das Gewicht auf jede Zelle
der Anordnung verteilt wird und einwirkt.
-
Danach dauert es etwa 30 - 45 Minuten, um die Solarzellen ausreichend
mit der lichtstreuenden Rückeinheit zu verbinden. Wenn eine mit Gewichten versehene
Haltevorrichtung verwendet wird, so wird sie nach dem Festlegen der Lage der Zellen
in der Form auf dem Rückfilm entfernt Dann wird eine starre, lichtdurchlässige Deckschicht
5, wie beispielsweise eine Glasplatte, über die Solarzellenanordnung gelegt, und
diese Deckschicht dient als Formabdeckung. Die Deckschicht 5 lagert auf einer Schulter
10 in der Form 8, und ein federndes oder elastisches Abdichtungsmaterial, wie beispielsweise
ein O-Ring 11, ist gegebenenfalls und vorzugsweise vorgesehen, wie dies dargestellt
ist, um zu gewährleisten, daß eine feste Dichtung zwischen dem Deckglas und der
Form gebildet wird. Vorzugsweise wird eine Klemmeinrichtung benutzt, um die Deckschicht
5 ortsfest auf der Form zu halten.
-
Feder gespannte Klemmen, Gelenkhebel-Klemmen und dergleichen sind
geeignete Klemmeinrichtungen, die einstöckig mit der Form ausgeführt werden können.
Gegebenenfalls ird beispielsweise eine C-Klemme 9 benutzt, wie dies in Fig.4
gezeigt
ist.
-
Nachdem das Deck schictltmatcri nl ortsfast aiiqebr<#c!#t wurde,
wird dann der Raum zwischen der Rückeinheit in der Form und der Oberflhchendecke
mit der Umhi1l]#inq gefüllt, indem an einer Einlaßöffnung 15 eine Umhüllungsstoffquelle
befestigt wird. Luft in der Form kann über eine Auslaßöffnung 16 austreten. Vorzugsweise
ist der Umhüllungsstoff der gleiche lichtdurchlässige Silikongummi-Umhüllungsstoff,
der als Haftstoff verwendet wird.
-
Es ist besonders vorteilhaft, daß der Haftstoff das wärmehärtbare
Umhüllungsmaterial ist, das von der Firma General Electric Company, Waterford, New
York, USA, unter dem Handelsnamen GE615 vertrieben wird. Dieses Umhüllungsmaterial
wird unter Druck gepumpt, wobei die Luft aus der Form getrieben und diese vollständig
mit dem Umhüllungsmaterial gefüllt wird. Insbeondere werden Drücke im Bereich von
ca. 2 psi bis 5 psi bzw. 140 mbar bis 350 mbar verwendet. Nach dem Füllen der Form
mit Umhüllungsmaterial wird die gesamte Anordnung in einen Ofen gebracht und ausgehärtet.
Die Aushärtzeit und die Temperatur hängen natürlich vom verwendeten Umhüllungsmaterial
ab. Mit einem der oben erwähnten Umhüllungsmaterialien, wie z.B.
-
mit GE615, kann die Anordnung in Zeitperioden von ca. 45 bis 75 Minuten
bei Temperaturen im Bereich von 600C bis 700C ausgehärtet werden.
-
Danach wird die Anordnung abgekühlt, aus dem Ofen entfernt, und derModul
wird aus der Form genommen.
-
Es ist sofort zu ersehen, daß mit der obigen Technik der Abstand der
Zellen von der oberen starren Deckschicht auf eine Mindestentfernung einstellbar
ist, die benötigt wird, um Druckpunkte zu verhindern,
die bei einem
möglichen Kontakt der Spitze oder Oberseite der Zellen der Zwischenverbindungen
mit der starren Einheit auftreten. Das Einwirken von Druck und das anhaftende Verbinden
jeder der Solarzellen in der Anordnung mit der Oberseite der auf dem Boden der Form
liegenden Lichtstreueinheit gewährleistet ein wesentliches Ausrichten der Zellen
in grundsätzlich koplonarer Weise, wodurch wiederum zur Vermeidung von Druckpunkten
beigetragen wird. Das Pumpen des Umhüllungsmaterials in die Form während des Zusammenbauens
des erfindungsgemäßen Solarzellenmoduls gewährleistet das Austreiben von Luft und
stellt ein optische Kopplung der weißen Lichtstreufläche der w.ückeinheit mit den
Solarzellen sicher. Eine optische Kopplung ist erforderlich, um in vorteilhafter
Weise die Rückleitung des Lichtes von den Stegbereichen zwischen den Zellen auf
die Oberseite der Solarzellen auszunutzen, wo die Oberflcjche aktiv ist. Zustitzlicll
ist das Au'; r« I'<'ri von Laft von Bedeutung, um ein Herabsetzen ~:t:ii oder
mögliches Abschichten der Anordnung im Betrieb in Folge Wärmedifferenzen in den
Eigenschaften zwischen jedem der Materialien und der Lufträume zu vermeiden.
-
Das Pumpen des Umhüllungsmaterials in ein gesteuertes Mindestvolumen
verringert die Menge des beim Modulaufbau benötigten Umhüllungsmaterials und stellt
dennoch sicher, daß die Zellen haftend mit der Deckschicht verbunden sind. Schließlich
können die erfindungsgemäß hergestellten Modulen rasch durch automatischen und halbautomatischen
Chargenbetrieb hergestellt werden, was einen weiteren wesentlichen wirtschaftlichen
Vorteil darstellt.