DE4340402C2 - Verfahren zur Kontaktierung von Dünnschichtsolarmodulen - Google Patents

Verfahren zur Kontaktierung von Dünnschichtsolarmodulen

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Description

Dünnschichtsolarmodule werden üblicherweise direkt auf großflä­ chigen Substraten erzeugt und integriert strukturiert (bspw. US 52 52 139). Zumindest die der Lichteinfallsseite zugewandte Elektrodenschicht eines Dünnschichtsolarmoduls besteht aus einem dünnen leitfähigen Oxid, wenn der Lichteinfall durch ein transparentes Substrat und die dann notwendigerweise transparente erste Elektrodenschicht erfolgt. Als Material für transpa­ rente Elektrodenschichten können beispielsweise Zinkoxid, Zinn­ oxid oder fluordotiertes Indiumzinnoxid dienen. Durch die Struk­ turierung der Dünnschichtsolarmodule werden streifenförmige Ein­ zelzellen erzeugt, die miteinander serienverschaltet sind. Der bei Lichteinfall erzeugte Strom kann an den beiden äußersten Zel­ len abgegriffen werden.
Leitfähige Oxide wie beispielsweise das Zinkoxid haben eine nur relativ geringe elektrische Leitfähigkeit. Um elektrische Verlu­ ste durch den erhöhten Serienwiderstand gering zu halten, muß der Strompfad in den Zellen möglichst kurz gehalten werden. Als Kon­ sequenz wird eine möglichst geringe Strukturbreite bei der strei­ fenförmigen Strukturierung angestrebt. Der Stromabgriff an den beiden äußeren Streifenzellen erfolgt nach Möglichkeit über eine durchgehende Kontaktierung entlang der gesamten Länge der Strei­ fenzelle.
Zur Kontaktierung von Dünnschichtsolarmodulen aus amorphem Silizium mit Zinkoxid-Elektroden wurden bisher aufgelötete Kontakte verwendet (US 43 15 096). Hierfür ist jedoch ein lötbarer Untergrund erforderlich. Auf dem Modulsubstrat wird dazu vor dem Abscheiden von Elektrodenschichten und aktiver Halbleiterschicht eine Stromsammelschiene aufgebracht, die einerseits eine Verlötung eines durchgehenden Kontaktbandes über die gesamte Zellenlänge möglich macht und andererseits eine höhere Leitfähigkeit als das verwen­ dete transparente leitfähige Oxid besitzt. Damit wird der Wider­ standsverlust gering gehalten, auch wenn das Kontaktband nur punktuell angelötet wird.
Das Aufbringen dieser Stromsammelschienen erfolgt in der US 51 31 954 in einem Siebdruckverfahren mit einbrennbarer Silberleitpaste. Für die Modulherstellung ergeben sich dafür jedoch einige Nach­ teile. Während des Einbrennprozesses der Silberleitpaste werden die Scheiben über den Transformationspunkt des Glases erhitzt und durch ein schnelles Abkühlen vorgespannt, so daß nur noch vorge­ spannte Scheiben verwendet werden können. Ein Vermeiden des Vor­ spannens ist durch ein langsames Abkühlen des Glases zwar mög­ lich, jedoch unwirtschaftlich. Das Aufdrucken der Stromsammel­ schienen muß auf über 1 m Modulkantenlänge mit geringer Toleranz parallel zueinander und zu den Substratkanten erfolgen, damit die zum Beispiel mit einem Laser vorzunehmende spätere Strukturierung des Moduls nicht gestört wird. Da das Aufdrucken der Stromsam­ melschiene in möglichst geringem Abstand zur Modul- bzw. Substratkante erfolgt und das Aufdrucken unter Druck durchgeführt wird, unterliegt ein zum Aufdrucken verwendetes Sieb einem er­ höhten Verschleiß. Das Aufdrucken einer Stromsammelschiene ist daher aufwendig und kostenungünstig.
Aus der genannten US 51 31 954 ist jedoch auch bekannt, als Kontaktstreifen ein Metallband auf das Substrat aufzulegen und mit diesem die Elektroden zu verbinden.
Aus der DE 40 18 013 A1 ist ein Verfahren zur Kontaktierung von Solarmodulen, welche wellige und unebene Halbleiteroberflächen aufweisen, bekannt mit folgenden Verfahrensschritten:
  • - Der Halbleiterkörper wird auf der zu kontaktierenden Oberfläche mit einer transparenten, elektrischen bitfähigen Oxidschicht versehen;
  • - ganzflächig auf diese Oxidschicht wird ein flexibles metallisches Netz aufgelegt und
  • - der Halbleiterkörper mit dem Netz wird derart in eine transparente Kunststoffolie eingeschweißt, daß durch die eng aufliegende Folie ein inniger elektrischer Kontakt des Netzes zur Oxidschicht gewährleistet ist.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von Dünnschichtsolarmodulen anzu­ geben, welches auf das aufwendige Aufdrucken einer Stromsammel­ schiene verzichtet, einfacher durchzuführen ist und eine elek­ trisch gut leitende Kontaktierung erzeugt, die gut am Modul fi­ xiert und gegenüber der bekannten Lösung keinen erhöhten Serien­ widerstand erzeugt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1.
Weiterbildungen der Erfindung sowie eine bevorzugte Ver­ wendung des Verfahrens sind den übrigen Ansprüchen zu entnehmen.
Im erfindungsgemäßen Verfahren wird gänzlich auf eine auf dem Mo­ dulsubstrat aufgebrachte Stromsammelschiene verzichtet. In einfa­ cher Weise erfolgt die Kontaktierung durch bloßes Auflegen von Kontaktstreifen auf die beiden äußeren Zellen des fertig struktu­ rierten Dünnschichtsolarmoduls. Der nachfolgende Laminierprozeß, bei dem eine Abdeckfolie oder eine Abdeckscheibe auf den Aufbau auflaminiert wird, sorgt für eine ausreichend sichere Fixierung der beiden Kontaktstreifen über den äußeren Streifenzellen. Gleichzeitig werden die Kontaktstreifen so fest auf der zweiten Elektrodenschicht angedrückt, daß ein guter elektrischer Kontakt zu dieser hergestellt wird.
Zur erfindungsgemäßen Kontaktierung des Dünnschichtsolarmoduls sind daher praktisch keine zusätzlichen Werkzeuge oder Maschinen erforderlich. Als Substrate können sowohl vorgespannte Glasschei­ ben verwendet werden, die bei gleicher Dicke eine erhöhte mecha­ nische Stabilität besitzen, als auch nichtvorgespannte Scheiben, die dadurch schneidbar sind und somit eine erhöhte Produktflexi­ bilität ermöglichen. Auch das bisher übliche Anlöten des Kontakt­ streifens kann entfallen, wodurch das Verfahren gegenüber dem be­ kannten weiter vereinfacht ist. Auch bestand bislang bei dem Ab­ scheiden der Schichten über der auf dem Substrat aufgebrachten Stromsammelschiene die Gefahr von Schichtinhomogenitäten mit ne­ gativer Auswirkung auf die Leistung des Solarmoduls. Da die Kon­ taktierung der beiden äußeren Streifenzellen wie bisher von oben erfolgt, kann eine der beiden Einzelzellen keinen Strombeitrag zur Modulleistung liefern, da sie bei dieser Kontaktierung nicht mitverschaltet ist. Mit dem neuen Verfahren wird es nun möglich, die Strukturlinie für diese äußere nutzlose Einzelzelle näher an den Kontaktstreifen und damit an die Modulkante zu versetzen, als es mit einer aufgedruckten Stromsammelschiene möglich war. Damit kann die für diese Einzelzelle erforderliche inaktive Fläche mi­ nimiert und die aktive Modulfläche erhöht werden.
Der Kontaktstreifen ist aus einem flachen Me­ tallband, wie es bereits bislang als Kontaktstreifen verwendet wurde, hergestellt. Bei der Materialauswahl ist darauf zu achten, daß ein guter ohmscher Kontakt zum Material der zweiten Elektro­ denschicht herstellbar ist und daß dieser Kontakt keine Diffusi­ ons- oder Korrosionsvorgänge auslöst.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, unter dem Kontaktstreifen zumindest punktuell eine elektrisch leitende Paste aufzubringen. Dadurch kann zum einen der elektri­ sche Kontakt verbessert werden und bei Verwendung einer geeigne­ ten Paste der Kontaktstreifen vor dem Laminieren auf dem Dünn­ schichtsolarmodul fixiert werden. Solche leitfähigen Pasten oder Kleber enthalten üblicherweise gut leitende Metallpartikel, Ruß oder Graphit.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird der Kontakt­ streifen durch Ultraschallschweißen direkt auf der zweiten Elek­ trodenschicht aufgelötet. Dies kann punktuell und an nur wenigen Stellen erfolgen und somit ein maßgenaues Fixieren des Kontakt­ streifens auf dem Solarmodul beim Auflaminieren der Abdeckung er­ möglichen, als auch durchgehend, so daß bei Solarmodulen, bei de­ nen durch die Rückseite kein ausreichender Anpreßdruck erfolgt, immer noch eine gute Kontaktierung ermöglicht wird. Damit wird ein Verrutschen des Kontaktstreifens beim Auflaminieren und dadurch ein Kurzschluß mit der benachbarten Zeile vermieden.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Figuren näher erläutert. Die Figuren zeigen im schematischen Querschnitt erfindungsgemäß kontaktierte Dünnschichtsolarmodule.
Ausführungsbeispiel
Fig. 1 Auf einem großflächigen Substrat 1 wird in bekannter Weise ein integriert verschaltetes Dünnschichtsolarmodul erzeugt. Als Substrat 1 wird eine vorgespannte und 2 mm dicke Glasscheibe aus Natronkalkglas verwendet. Eine Frontelektro­ de 2 besteht aus ca. 1 µm dickem Zinkoxid, welches mit Aluminium oder Bor dotiert sein kann. Eine aktive Halbleiterschicht 3 be­ steht aus amorphem Silizium a-Si:H und wird in ei­ ner Dicke von 300 nm aufgebracht. Durch Beimischen von Dotierga­ sen zur Abscheideatmosphäre während des Plasmaabscheidungsprozes­ ses werden Schichten unterschiedlicher Leitfähigkeit mit zumin­ dest einem pn-Übergang erzeugt, ein Ausführungsbeispiel eine pin-Struktur. Über der aktiven Halbleiterschicht 3 ist eine Rückelektrode 4 auf­ gebracht, welche vorzugsweise ebenfalls aus dünnem leitfähigen Oxid besteht und beispielsweise aus 2 µm dickem Zinkoxid gefer­ tigt ist.
Zur integrierten Verschaltung des Dünnschichtsolarmoduls folgt auf jeden Abscheidungsprozeß für die Einzelschichten 2, 3 und 4 ein Strukturierungsschritt. Dessen Strukturierungslinien sind so angeordnet, daß sich durch entsprechendes Überlappen von Berei­ chen des Frontkontakts und des Rückkontakts eine Serienverschal­ tung der streifenförmigen Einzelsolarzellen ergibt.
Der im Dünnschichtsolarmodul erzeugte Strom kann nun durch Kon­ taktierung der beiden äußeren streifenförmigen Einzelsolarzellen abgenommen und nach außen geführt werden. Dazu werden zwei Kon­ taktstreifen 5, 6 parallel zu den Strukturierungslinien direkt auf den Rückkontakt der beiden äußeren streifenförmigen Einzelso­ larzellen ausgelegt. Als Kontaktstreifen ist ein beliebiges Me­ tallbändchen geeignet, im Ausführungsbeispiel ein verzinntes Kupferbänd­ chen von 2,5 mm Breite.
Fig. 2 Die Fixierung der Kontaktstreifen erfolgt gleichzeitig mit dem Auflaminieren der Rückseitenabdeckung. In der einfachsten Ausführungsform der Erfindung besteht die Rückseitenabdeckung aus einer Schmelzklebefolie, beispielsweise aus Polyvinylbutyral. Möglich ist es auch, mit Hilfe dieser Schmelzklebefolie 7 eine weitere Folie aufzulaminieren, die ausreichend mechanische Festigkeit besitzt und gegenüber un­ terschiedlichen klimatischen Bedingungen einen sicheren Schutz des Dünnschichtsolarmoduls gewährleistet. Möglich ist es auch, mit Hilfe der Schmelzklebefolie eine dünne Glasscheibe als Rück­ seitenabdeckung aufzulaminieren.
Das Auflaminieren erfolgt durch Auflegen der Schmelzklebefolie auf das Dünnschichtsolarmodul mit den dort entsprechend Fig. 1 aufgelegten Kontaktstreifen 5, 6. Durch Vermeidung einer horizon­ talen Relativbewegung zwischen Schmelzklebefolie und Solarmodul wird gewährleistet, daß die Kontaktstreifen 5, 6 während des La­ minierens nicht auf dem Modul verrutschen. Zum Laminieren selbst wird die gesamte Vorrichtung unter Auflagedruck erhitzt, bis die Schmelzklebefolie erweicht und mit dem Dünnschichtsolarmodul ver­ klebt. Gleichzeitig wird mit der Schmelzklebefolie erreicht, daß der gesamte Modulaufbau dicht versiegelt ist.
Der beim Laminieren auf das Modul ausgeübte Druck bewirkt dabei außerdem, daß ein guter ohmscher Kontakt zwischen den Kontakt­ streifen 5, 6 und der Rückelektrodenschicht 4 hergestellt ist. Ein erfindungsgemäß kontaktiertes Dünnschichtsolarmodul zeigt gegenüber herkömmlich kontaktierten Solarmodulen, bei denen die Kontaktstreifen an einer vorher auf dem Substrat aufgebrachten Stromsammelschiene festgelötet wurden, unverändert gute elektri­ sche Kennwerte. Eine zusätzliche Fixierung der Kontaktstreifen auf der Rückelektrodenschicht ist aus diesem Grund nicht erfor­ derlich, kann aber die Sicherheit des Laminierungsprozesses gegen ein Verrutschen der Kontaktstreifen erhöhen. Zur Fixierung sind elektrisch leitfähige Pasten und Kleber geeignet. Ausreichend ist es, die Fixierung an zwei Punkten des Kontakt­ streifens vorzunehmen. Möglich ist es auch, den Kontaktstreifen durch Ultraschallschweißen direkt auf der Rückelektrode anzulö­ ten. Dazu wird ein Ultraschallschweißkopf kurz auf dem Kontakt­ streifen aufgesetzt. Dabei ist es auch hier ausreichend, die Fixierung an nur zwei Punkten durchzuführen.
Das fertig laminierte Dünnschichtsolarmodul kann nun weiter mit einem Rahmen versehen werden, um sowohl die Dichtigkeit als auch die mechanische Stoßfestigkeit zu erhöhen. Dazu kann das Dünn­ schichtsolarmodul mit einem Polyurethanrahmen um­ spritzt werden.
Ein erfindungsgemäß allein durch Auflegen von Kontaktstreifen 5, 6 kontaktiertes Dünnschichtsolarmodul zeigt im Klimatest eine ausreichende Witterungsbeständigkeit sowohl gegen Feuchtigkeit und Nässe, als auch gegen Temperaturwechsel. Selbst nach einer längeren Disposition gegenüber Temperaturen von 60 bis 70°C, wie sie während des normalen Betriebs eines Dünnschichtsolarmoduls auftreten können, zeigt sich keine auf eine Verschlechterung des Kontaktes hinweisende Veränderung der elektrischen Werte.

Claims (9)

1. Verfahren zur Kontaktierung von Dünnschichtsolarmodulen mit den Merkmalen:
  • - auf einem Substrat (1) wird ein Dünnfilmsolarmodul erzeugt und dabei integriert streifenförmig strukturiert und serienverschaltet, wobei zumindest eine aus erster oder zweiter Elektrodenschicht (2, 4) ein transparentes leitendes Oxid umfaßt
  • - entlang der beiden Ränder des Substrats (1) parallel zu der streifenförmigen Strukturierung wird über der aus leitendem Oxid bestehenden zweiten Elektrodenschicht (4) jeweils ein Kontaktstreifen (5, 6) aus einem Metallband aufgelegt; und
  • - auf diesen Aufbau wird mit Hilfe einer Schmelzklebefolie (7) unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur eine Abdeckung auflaminiert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem unter den Kontaktstreifen (5, 6) eine elektrisch leitende Paste punktuell aufgebracht wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2, bei dem die Kontaktstreifen (5, 6) mit Hilfe eines elektrisch leitenden Klebers auf der zweiten Elektrodenschicht (4) aufgeklebt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 1, bei dem die Kontaktstreifen (5, 6) punktuell an wenigen Stellen durch Ultraschallschweißen auf der zweiten Elektrodenschicht (4) fixiert werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Kontaktstreifen (5, 6) auf die Rückelektrode (4) eines Dünnschichtsolarmoduls mit Superstrataufbau aufgelegt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 5, bei dem das Dünnschichtsolarmodul so erzeugt wird, daß der Lichteinfallsseite ein p-dotierter oder p-leitender Bereich zugewandt ist und bei dem das Dünnschichtsolarmodul so strukturiert wird, daß die äußerste anodenseitige Streifenzelle eine schmalere Strukturbreite aufweist als die übrigen Streifenzellen, wobei gilt: bks baz < bnz; mit bks = Breite des Kontaktstreifens, baz = Breite der äußeren anodenseitigen Streifenzelle und bnz = normale Streifenzellenbreite.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem als Abdeckung eine Glasscheibe auflaminiert wird.
8. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Kontaktierung von Solarmodulen aus amorphem Silizium oder aus einer, amorphes Silizium enthaltenden Legierung, wobei erste und zweite Elektrodenschichten Zinkoxid umfassen.
9. Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Kontaktierung von Solarmodulen mit einem Chalkopyrithalbleiter als Absorberschicht.
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