DE3942031C1 - - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Solargenerator mit einer Vielzahl von in Reihe und/oder parallelgeschalteten Solarzellen, bei dem jeweils benachbarte Solarzellen durch metallische Verbinder elektrisch und mechanisch miteinander verbunden sind, wie er beispielsweise aus der DE 31 24 581 A1 bekannt ist.The invention relates to a solar generator a variety of series and / or parallel Solar cells, in which neighboring solar cells by metallic connectors electrically and mechanically with each other are connected, as for example from DE 31 24 581 A1 is known.
Für die Herstellung photovoltaischer Solargeneratoren wird eine Vielzahl von Solarzellen elektrisch leitend miteinander verbunden. Eine Kette von in Serie geschalteten Solarzellen entsteht dadurch, daß die mehr oder weniger starren Zellen aus Silicium mittels duktiler Verbinder in Folge hintereinander angeordnet sind. Als Verbinder wurden bisher metallische Bänder mit einer Dicke von etwa 30 µm aus Silber oder aus silberbeschichtetem Molybdän verwendet, die mit der Zellenmetallisierung durch Widerstandsschweißen oder durch Löten verbunden werden (DE 35 37 262 A1), oder es wurden Verbinder aus amorphen Metallen verwendet (DE 31 24 531 A1).For the production of photovoltaic solar generators a large number of solar cells electrically conductive with each other connected. A chain of solar cells connected in series arises from the fact that the more or less rigid cells Silicon in a row using ductile connectors are arranged. So far, metallic connectors have been used Bands with a thickness of about 30 microns made of silver or silver-coated molybdenum used with the Cell metallization by resistance welding or by Soldering are connected (DE 35 37 262 A1), or it was Connectors made of amorphous metals used (DE 31 24 531 A1).
Diese in Reihe elektrisch und mechanisch miteinander verbundenen Solarzellen werden mit Hilfe eines elastischen Siliconklebers auf eine starre oder flexible Unterlage aufgeklebt. Durch parallelschaltung mehrerer derartiger Solarzellenketten entsteht dann ein sogenannter Solarzellenmodul.These are electrically and mechanically in series with each other connected solar cells are made using an elastic Silicone glue on a rigid or flexible surface glued. By connecting several such in parallel A so-called solar cell chain is then created Solar cell module.
Schwierigkeiten ergeben sich nun dadurch, daß die Ausdehnungskoeffizienten der Solarzellen, des Verbinderwerkstoffs und des Substratmaterials unterschiedlich sind, und zwar derart, daß in der Regel der Ausdehnungskoeffizient des Substrats (etwa 20×10-6 K-1) größer als der Ausdehnungskoeffizient des Verbinders (für Ag 19×10-6K-1) ist und dieser wiederum größer als der Ausdehnungskoeffizient der Solarzelle (ca. 2,5×10-6 K-1). Insbesondere bei der Anwendung derartiger Solargeneratoren zur Stromversorgung von Satelliten müssen die Generatoren eine Vielzahl thermischer Zyklen durchlaufen, und zwar mit Temperaturänderungen bis zu 250°K. Die dabei auftretenden thermischen Dehnungsdifferenzen soll der Solarzellenverbinder als flexibles, bis in den plastischen Bereich verformbares Material möglichst bis zu einer Lebensdauer von 50000 oder sogar 100000 Zyklen akkommodieren.Difficulties now arise from the fact that the expansion coefficients of the solar cells, the connector material and the substrate material are different, in such a way that the expansion coefficient of the substrate (about 20 × 10 -6 K -1 ) is usually greater than the expansion coefficient of the connector ( for Ag 19 × 10 -6 K -1 ) and this in turn is larger than the coefficient of expansion of the solar cell (approx. 2.5 × 10 -6 K -1 ). In particular when using such solar generators for powering satellites, the generators have to go through a large number of thermal cycles, with temperature changes of up to 250 ° K. The resulting thermal expansion differences should accommodate the solar cell connector as a flexible material that can be deformed into the plastic area, if possible, for a service life of 50,000 or even 100,000 cycles.
Bei einem Abstand der Solarzellen von ca. 1 mm ist der Solarzellenverbinder von der Zellenrückseite der einen Zelle zur Zellenvorderseite der nächsten geführt und muß somit die gesamte Dehnungsdifferenz (typisch ca. 0,05 mm) einer geradlinigen Verbindungslinie aufnehmen. Zur Schonung des Materials wird dem Zellenverbinder zwischen den beiden Solarzellen eine U-förmige Überhöhung gegeben, die als Ausgleichsbogen eine sogenannte geometrische Dehnung bewirkt und damit eine gewisse Entlastung des Verbinders ermöglicht. Da der Verbinder, wie bereits erwähnt, ständigen Dehn- Wechselbeanspruchungen unterliegt, treten im Verbinderwerkstoff Gefügeveränderungen auf, die als zyklische Verfestigungen nach einer bestimmten Anzahl von Lastspielen zum Anriß und schließlich zum Bruch des Verbinders führen.At a distance of approx. 1 mm between the solar cells the solar cell connector from the back of one cell Cell to the front of the next cell and must therefore the total elongation difference (typically approx. 0.05 mm) one Take up a straight connecting line. To protect the Materials becomes the cell connector between the two Solar cells are given a U-shaped cant, which as Compensation curve causes a so-called geometric expansion and thus allows a certain relief of the connector. Since, as already mentioned, the connector Alternating stresses occur in Connector material changes in structure that are called cyclical Solidifications after a certain number of duty cycles lead to cracking and finally to breakage of the connector.
Die Kontaktierungsstelle des Verbinders mit der Zellenmetallisierung ist durch die Auswirkung der Dehnungsunterschiede infolge thermischer Zyklen besonders stark beansprucht, was sich in dort auftretenden Scherbrüchen äußert. Alle bisher eingesetzten Werkstoffkombinationen Substrat/Zelle/Verbinder führten spätestens nach Durchlaufen von 15000 bis 30000 thermischen Zyklen zu Schädigungen in Form von zunächst Anrissen und später Brüchen der Schweißstellen oder der Verbinder.The contact point of the connector with the Cell metallization is affected by the Differences in elongation due to thermal cycles in particular heavily stressed what occurs in shear fractures occurring there expresses. All previously used material combinations Substrate / cell / connector led after passing through at the latest from 15000 to 30000 thermal cycles to damage in Form of cracks first and later breaks Welds or the connector.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbinder für einen Solargenerator verfügbar zu machen, der eine noch höhere Anzahl thermischer Zyklen durchlaufen kann, ohne daß ein Bruch oder ein Anriß des Materials auftritt und insbesondere auch eine dynamische Verfestigung desselben vermieden wird.The invention has for its object a To provide connectors for a solar generator that can go through an even higher number of thermal cycles, without breaking or cracking of the material and in particular, dynamic consolidation of the same is avoided.
Diese Aufgabe wird bei einem Solargenerator der eingangs definierten Art dadurch erzielt, daß der Verbinder aus einem pseudoelastischen Werkstoff besteht.This is the task of a solar generator achieved at the outset in that the connector consists of a pseudo-elastic material.
Bei Verwendung eines derartigen Verbinders in einem photovoltaischen Solargenerator lassen sich im orbitalen Einsatz eines Satelliten thermische Zyklen von 50000 bis 100000 realisieren, ohne daß Defekte in der mechanischen oder elektrischen Verbindung der miteinander verbundenen Zellen auftreten.When using such a connector in one photovoltaic solar generator can be in orbital Use of a satellite thermal cycles from 50,000 to Realize 100000 without defects in the mechanical or electrical connection of the interconnected cells occur.
Bei der Gruppe der pseudoelastischen Werkstoffe handelt es sich um Werkstoffe, die reversible Verformungen ertragen können, die weit über die elastische Grenze (Ende der Hooke′schen Gerade) des Werkstoffs hinausgehen. Hierzu wird beispielsweise auf "Metall 39", 1985, Seiten 34 bis 38, verwiesen. Diese Werkstoffe werden auch als Formgedächtnis- Legierungen bezeichnet. Sie zeigen aufgrund einer thermoelastischen martensitischen Umwandlung nach geeigneter Behandlung eine temperaturabhängige Gestaltsänderung. Wird z. B. eine derartige Legierung bei tiefer Temperatur bleibend verformt, so erinnert sie sich bei Erwärmung über eine kritische Temperatur an ihre ursprüngliche Form und nimmt diese wieder an. Bei einem pseudoelastischen Werkstoff, findet bei Erreichen einer bestimmten Beanspruchungsspannung eine martensitische Gefügeumwandlung statt, die eine weitere Verformung zuläßt, die nicht auf einer versetzungsbedingten elastischen Verformung beruht. Wird nach einer derartigen Verformung die mechanische Spannung weggenommen, so tritt eine Rückdehnung bis zur ursprünglichen Gestalt ein, wobei der ursprüngliche Gefügezustand erhalten bleibt.In the group of pseudo-elastic materials are materials that have reversible deformations can endure that far beyond the elastic limit (end of the Hooke's straight line) of the material. This will for example on "Metall 39", 1985, pages 34 to 38, referred. These materials are also used as shape memory Called alloys. You show because of a thermoelastic martensitic conversion after appropriate Treatment a temperature-dependent change in shape. Is z. B. such an alloy remains at low temperature deformed, she remembers when heated over a critical temperature to its original shape and takes this again. In the case of a pseudo-elastic material when a certain stress is reached a martensitic structural transformation takes place, which is another Allows deformation that is not due to a dislocation elastic deformation. Will after such Deformation removed the mechanical tension, so occurs Stretching back to the original shape, the the original structural state is retained.
Bei Einsatz eines pseudoelastischen Werkstoffes als Verbinder für einen Solargenerator lassen sich Werkstoffdehnungen von bis zu 8% pseudoelastisch akkommodieren. Die Anzahl der durchfahrbaren thermischen Zyklen läßt sich noch dadurch erhöhen, daß dem Verbinder eine geeignete Geometrie gegeben wird, beispielsweise in bekannter Weise in Form einer U-förmigen Überhöhung in dem Bereich zwischen den beiden Solarzellen, die von dem Verbinder miteinander verbunden werden.When using a pseudo-elastic material as Connectors for a solar generator can be Material strains up to 8% pseudo-elastic accommodate. The number of passable thermal Cycles can be increased even further by giving the connector a suitable geometry is given, for example in a known manner in the form of a U-shaped cant in the area between the two Solar cells connected by the connector will.
Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Developments of the invention are the See subclaims.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung soll anhand der Zeichnung näher erläutert werden.An embodiment of the invention is based on the Drawing explained in more detail will.
Die Figur zeigt in halbschematischer Darstellung zwei Solarzellen 1, 1′, die jeweils mittels eines Klebers 2, 2′ auf einem Basiselement 3 befestigt sind. Die Oberseite der Solarzelle 1 wird mit der Unterseite der Solarzelle 1′ mittels eines Verbinders 4 aus pseudoelastischem Werkstoff verbunden. Die Oberseiten der beiden Solarzellen sind mit einem Deckglas 5, 5′ abgedeckt, das über einen Kleber 6, 6′ mit der jeweiligen Oberfläche der Solarzelle in Verbindung steht. Zur Kontaktierung des Verbinders 4 mit den Solarzellen 1, 1′ sind die entsprechenden Kontaktierungsbereiche metallisiert, und zwar bevorzugt mit einem pseudoelastischen Werkstoff. Die Kontaktierung selbst kann durch Schweißen oder Löten in bekannter Weise durchgeführt werden. In dem Ausführungsbeispiel weist der Verbinder 4 eine U-förmige Überhöhung auf, die zur Aufnahme von Temperaturspannungen beiträgt.The figure shows a semi-schematic representation of two solar cells 1 , 1 ', each of which is attached to a base element 3 by means of an adhesive 2 , 2 '. The top of the solar cell 1 is connected to the bottom of the solar cell 1 'by means of a connector 4 made of pseudo-elastic material. The tops of the two solar cells are covered with a cover glass 5 , 5 'which is connected to the respective surface of the solar cell via an adhesive 6 , 6 '. To contact the connector 4 with the solar cells 1 , 1 ', the corresponding contact areas are metallized, preferably with a pseudo-elastic material. The contacting itself can be carried out in a known manner by welding or soldering. In the exemplary embodiment, the connector 4 has a U-shaped elevation, which contributes to the absorption of temperature stresses.
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