EP2522038A2 - Kontaktierte solarzelle sowie verfahren zu deren herstellung - Google Patents

Kontaktierte solarzelle sowie verfahren zu deren herstellung

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EP2522038A2
EP2522038A2 EP11700112A EP11700112A EP2522038A2 EP 2522038 A2 EP2522038 A2 EP 2522038A2 EP 11700112 A EP11700112 A EP 11700112A EP 11700112 A EP11700112 A EP 11700112A EP 2522038 A2 EP2522038 A2 EP 2522038A2
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EP
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solar cell
conductor
contact points
contact point
contact
Prior art date
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Withdrawn
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EP11700112A
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Inventor
Harry Wirth
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Original Assignee
Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
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Publication date
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    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/20—Electrodes
    • H10F77/206—Electrodes for devices having potential barriers
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    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one photovoltaic cell covered by group H10F10/00, e.g. photovoltaic modules
    • H10F19/90—Structures for connecting between photovoltaic cells, e.g. interconnections or insulating spacers
    • H10F19/902—Structures for connecting between photovoltaic cells, e.g. interconnections or insulating spacers for series or parallel connection of photovoltaic cells
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to a contacted solar cell having contact points for electrical contacting of the solar cell on the front and back.
  • the current generated by the solar cells is tapped via the solar cells by means of a mounted on the front or back conductor, wherein according to the invention, the contact points of the solar cell on the front or back are arranged so that they do not project into the front surface of the solar cell to cover.
  • Ordinary solar cells 1 are connected to flat wire 2, 3 in order to carry away the electric current (see, eg, FIG. 1).
  • the wires are soldered to specially designed contact pads of the cell.
  • the linear arranged, usually contiguous trained contact points of the opposite Poles are arranged one above the other so that solder joints 4, 5 can be created on both sides of the cell at the same time, which are arranged congruently one above the other in projection onto the front side of the solar cell (see FIG. 2).
  • the pre-soldered flat wire or cell may be connected to other embodiments of the prior art also over the entire contact length with flux.
  • the heat input for the soldering process is achieved by contact, radiation, hot air, induction or other common methods. It occurs from one side of the cell, with simultaneous soldering on both sides of the cell. These connections are formed selectively (FIG. 2) or contiguously (FIG. 3), but they are in each case one above the other (US Pat. No. 4,562,637).
  • a contacted solar cell having a front side having at least one first contact point and a rear side having at least one second contact point, wherein the contact points of the front and rear sides are electrically conductively connected to at least one first or at least one second conductor , wherein in projection of the solar cell on the front surface of the contact points do not overlap.
  • the proposed solution thus provides for a staggered arrangement of bilateral, pointy connections (see, e.g., Fig. 4). In this way, the stresses spread over the length of the contact point and a superposition of both sides of the cell is avoided.
  • Lead-free solders or larger cross-sections of cell connectors can be used.
  • the solar cell is designed so that the front and the
  • Advantageous conductors that can be used for contacting the contact points of the solar cell are flat wires, wherein both the conductor used on the front and / or on the back are advantageous flat wires.
  • Rear side of the solar cell arranged ladder come in pairs to cover.
  • both the conductor arranged on the front side and that arranged on the rear side or in the case of a plurality of each on the
  • Front and back arranged conductors this pairwise) in the direction of projection on the solar cell surface of the front come to cover, the contact points with which the conductors are fixed to the solar cell, but do not come to cover. As a result, one is mutual contacting of the respective conductors on the front or back.
  • the contact areas preferably each have an area of 2 to 30 mm 2 , preferably of 4 to 20 mm 2 , more preferably 6 to 18 mm 2 , on.
  • a method for producing a contacted solar cell, in which at least one first conductor is at least one contact point, which is located on the front side of the solar cell, and at least one second conductor at least one contact point, which is located on the back of the solar cell is electrically connected, wherein in projection of the solar cell on the front of the surfaces of the contact points do not overlap.
  • the electrically conductive connection i. the contacting of the solar cell or the connection of the conductor and the contact point by soldering the conductor to the contact point.
  • This advantageous method relates both to the production of the contacts on the front and the back.
  • Other known joining methods such as welding, gluing or bonding, are also included in the invention.
  • the contacting of the at least one first conductor with the at least one contact point and the at least one second conductor with the at least one contact point takes place simultaneously in one work step.
  • the heat supply that is required for soldering is still done from one side of the solar cell, ensuring that connections only occur on one side of the cell.
  • section-wise contacting in the soldering process is carried out by a corresponding before soldering sections occupation with flux and subsequent soldering.
  • solder joints are only produced at the points that have been filled with flux. Positions without flux transfer the heat to the back of the cell without forming a mechanical connection after the solder solidifies.
  • solder can also be selectively applied to cell or cell connectors.
  • FIG. 1 shows an arrangement, known from the prior art, of two conductors 2 and 3, which are arranged on the front side and the rear side of a solar cell 1. It can be seen that the two conductors 2 and 3 are arranged in the projection direction on the front side of the solar cell (this is the side on which the conductor structure 2 is arranged) coming to cover, i. E. overlap in projection direction.
  • Figure 2 shows a known from the prior art way of contacting the two conductors 2 and 3 on the solar cell 1.
  • the conductors are arranged in projection on the front of the solar cell as shown in Figure 1, i. are superimposed in projection.
  • the contacts 4 of the front side of the solar cell 1 mounted conductor 2 or
  • FIG. 4 An alternative, known from the prior art way of contacting the conductors 2 and 3 on the solar cell 1 is shown in Figure 3, while the contacts 4 and 5 are formed virtually over the entire solar cell through. Again, the mechanical stresses that arise by soldering the tracks 2 and 3 on the solar cell 1, conserved and can not be degraded effectively. As a result of the type of contacting according to the invention, as shown in FIG. 4, the mechanical stresses are greatly reduced. In this case, the contacting takes place via the contact points 4 and 5 in such a way that these contact points are each arranged offset from one another, ie they do not coincide with one another in projection onto the front side of the solar cell or do not overlap one another.
  • the interconnects 2 and 3 are shown as arranged in Figure 1, ie come in projection on the front of the solar cell to cover.

Landscapes

  • Photovoltaic Devices (AREA)
  • Electromechanical Clocks (AREA)

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kontaktierte Solarzelle, die auf der Vorder- und Rückseite Kontaktstellen zur elektrischen Kontaktierung der Solarzelle aufweist. Der von den Solarzellen erzeugte Strom wird über die Solarzellen mittels eines auf der Vorder- bzw. Rückseite angebrachten Leiters abgegriffen, wobei erfindungsgemäß die Kontaktstellen der Solarzelle auf der Vorder- bzw. Rückseite so arrangiert sind, dass sie in Projektion auf die Vorderfläche der Solarzelle nicht zur Deckung gelangen.

Description

Kontaktierte Solarzelle sowie Verfahren zu deren Herstellung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kontaktierte Solarzelle, die auf der Vorder- und Rückseite Kontaktstellen zur elektrischen Kontaktierung der Solarzelle aufweist. Der von den Solarzellen erzeugte Strom wird über die Solarzellen mittels eines auf der Vorder- bzw. Rückseite angebrachten Leiters abgegriffen, wobei erfindungsgemäß die Kontaktstellen der Solarzelle auf der Vorder- bzw. Rückseite so arrangiert sind, dass sie in Projektion auf die Vorderfläche der Solarzelle nicht zur Deckung gelangen.
Gewöhnliche Solarzellen 1 werden mit Flachdraht 2, 3 verbunden, um den elektrischen Strom abzutransportieren (siehe z.B. Fig. 1). Die Drähte werden auf speziell ausgebildete Kontaktstellen der Zelle gelötet. Die linienförmig angeordneten, meist zusammenhängend ausgebildeten Kontaktstellen der entgegengesetzten Pole sind übereinander angeordnet, so dass beidseitig der Zelle gleichzeitig Lötverbindungen 4, 5 geschaffen werden können , die in Projektion auf die Vorderseite der Solarzelle deckungsgleich übereinander an- geordnet sind (siehe Fig. 2) .
Wegen Differenzen der thermischen Ausdehnungskoeffizienten entstehen bei Temperaturänderungen, insbesondere beim Abkühlen nach der Verfestigung des Lots Spannungen zwischen dem Leiter- und dem Zellmaterial.
Besonders problematisch sind diese Spannungen im Fall bleifreier Lote mit Schmelztemperaturen um 220 °C.
Der vorbelotete Flachdraht oder die Zelle können nach anderen Ausführungsformen gemäß dem Stand der Technik auch über die gesamte Kontaktlänge mit Flussmittel verbunden werden. Die Wärmezufuhr für den Lötprozess wird durch Kontakt, Strahlung, Heißluft, Induktion oder andere gängige Verfahren erreicht. Sie erfolgt von einer Seite der Zelle, wobei gleichzeitig auf beiden Seiten der Zelle Lötverbindungen entstehen. Diese Verbindungen werden punktuell (Fig. 2) oder zusammenhängend (Fig. 3) ausgebildet, sie liegen aber in jedem Fall übereinander (US 4,562,637).
In Folge erfährt die Zelle in den Fügestellen von beiden Seiten Spannungen, die sich addieren. Damit steigt das Risiko eines Materialversagens an dieser Stelle in der Verarbeitung oder im Gebrauch des Systems .
Zur Verringerung der Spannung wurden Entspannungselemente zwischen den Zellen vorgeschlagen (DE 43 30 282 C2, DE 39 42 031 Cl, DE 41 04 160 AI), die aber nicht die Spannungen innerhalb einer Zelle abbauen und einen erhöhten Aufwand bedeuten. Ausgehend vom Stand der Technik war es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, kontaktierte Solarzellen bereitzustellen, mit denen eine Minimierung der durch die Kontaktierung der Solarzelle bedingte mechanische
Spannung ermöglicht wird. Diese Aufgabe wird bezüglich der kontaktierten Solarzelle mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, bezüglich des Verfahrens zur Herstellung derartiger Solarzellen mit den Merkmalen des Patentanspruchs 7 gelöst, wobei die jeweiligen abhängigen Patentansprüche jeweils vorteilhafte Weiterbildungen darstellen.
Erfindungsgemäß wird somit eine kontaktierte Solar- zelle mit einer mindestens eine erste Kontaktstelle aufweisenden Vorderseite sowie einer mindestens eine zweite Kontaktstelle aufweisenden Rückseite bereitgestellt, wobei die Kontaktstellen der Vorder- und der Rückseite jeweils mit mindestens einem ersten bzw. mindestens einem zweiten Leiter elektrisch leitend verbunden sind, wobei sich in Projektion der Solarzelle auf die Vorderseite die Flächen der Kontaktstellen nicht überschneiden.
Die vorgeschlagene Lösung sieht somit eine versetzte Anordnung von beidseitigen, punktuellen Verbindungen vor (siehe z.B. Fig. 4). Auf diese Weise verteilen sich die Spannungen über die Länge der Kontaktstelle und eine Überlagerung von beiden Seiten der Zelle wird vermieden.
Überraschenderweise konnte festgestellt werden, dass durch eine derartige Anordnung der Kontaktstellen auf der Solarzelle sowie durch eine Verbindung der jewei- ligen Leiterstrukturen mit den Kontaktstellen auf jeder Seite eine deutliche Spannungsreduktion der durch die Kontaktierung mit den Leitern resultierenden mechanischen Spannung erzielt werden kann.
Durch die Verringerung der Spannungen erweitert sich der Spielraum bei der Herstellung von Solarmodulen.
Es können bleifreie Lote oder größere Querschnitte der Zellverbinder eingesetzt werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Solar- zelle dabei so ausgebildet, dass die Vorder- und die
Rückseite jeweils mindestens zwei Kontaktstellen, bevorzugt jeweils 2 bis 20, weiter bevorzugt jeweils 6 bis 14 Kontaktstellen aufweist. Vorteilhaft ist ebenso, wenn die Kontaktstellen linear angeordnet sind.
Vorteilhafte Leiter, die zur Kontaktierung der Kontaktstellen der Solarzelle verwendet werden können, sind dabei Flachdrähte, wobei sowohl der auf der Vorderseite und/oder auf der Rückseite verwendete Leiter dabei vorteilhaft Flachdrähte sind.
Weiter ist es vorteilhaft, wenn in Projektion der So- larzelle auf die Vorderseite die auf der Vorder- und
Rückseite der Solarzelle angeordneten Leiter jeweils paarweise zu Deckung kommen. In dieser Ausführungsform ist damit vorgesehen, dass sowohl der auf der Vorderseite und der auf der Rückseite angeordnete Leiter (bzw. bei einer Mehrzahl von jeweils auf der
Vorder- und Rückseite angeordneten Leitern diese jeweils paarweise) in Projektionsrichtung auf die Solarzellenoberfläche der Vorderseite zur Deckung kommen, wobei die Kontaktstellen, mit denen die Leiter auf die Solarzelle fixiert sind, dabei jedoch nicht zur Deckung gelangen. Resultierend dabei ist eine wechselseitige Kontaktierung der jeweiligen Leitern auf der Vorder- bzw. Rückseite.
Die Kontaktbereiche weisen dabei bevorzugt jeweils eine Fläche von 2 bis 30 mm2, bevorzugt von 4 bis 20 mm2, besonders bevorzugt 6 bis 18 mm2, auf.
Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung einer kontaktierten Solarzelle bereitgestellt, bei dem mindestens ein erster Leiter an mindestens einer Kontaktstelle, die sich auf der Vorderseite der Solarzelle befindet, und mindestens ein zweiter Leiter an mindestens einer Kontaktstelle, die sich auf der Rückseite der Solarzelle befindet, elektrisch leitend verbunden wird, wobei sich in Projektion der Solarzelle auf die Vorderseite die Flächen der Kontaktstellen nicht überschneiden.
Vorzugsweise erfolgt dabei die elektrisch leitende Verbindung, d.h. die Kontaktierung der Solarzelle oder die Herstellung der Verbindung des Leiters und der Kontaktstelle durch Verlöten des Leiters mit der Kontaktstelle. Dieses vorteilhafte Verfahren bezieht sich sowohl auf die Herstellung der Kontakte auf der Vorder- als auch der Rückseite. Andere bekannte Verbindungsverfahren, wie Schweißen, Kleben oder Bonden, sind ebenfalls von der Erfindung umfasst.
Weiter ist es dabei vorteilhaft, wenn die Kontaktierung des mindestens einen ersten Leiters mit der mindestens einen Kontaktstelle und des mindestens einen zweiten Leiters mit der mindestens einen Kontaktstelle gleichzeitig in einem Arbeitsschritt erfolgt. Für den Fall, dass eine derartige gleichzeitige Kontaktierung des Leiters auf der Vorderseite und des Leiters auf der Rückseite erfolgt, ist es dabei weiter von Vorteil, wenn die Wärmezufuhr, die zur Verlötung benötigt wird, nach wie vor von einer Seite der Solarzelle erfolgt, wobei sichergestellt wird, dass Verbindungen nur jeweils auf einer Seite der Zelle entstehen.
Vorteilhaft ist dabei weiterhin, dass die abschnittsweise Kontaktierung im Lötverfahren durch eine entsprechende vor dem Löten erfolgende abschnittsweise Belegung mit Flussmittel und anschließendes Verlöten erfolgt .
Mögliche Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Solarzelle bzw. eines Verfahrens zu deren Herstellung werden nachfolgend angegeben, ohne die Erfindung jedoch auf die speziellen Ausführungsformen zu beschränken .
Eine Möglichkeit der selektiven Erzeugung von Verbin- dungsstellen ist der selektive Auftrag von Flussmittel auf Zelle oder Zellverbinder. Lötverbindungen entstehen so nur an den Stellen, die mit Flussmittel belegt wurden. Stellen ohne Flussmittel übertragen die Wärme auf die Rückseite der Zelle, ohne eine me- chanische Verbindung nach dem Erstarren des Lotes auszubilden .
Alternativ kann auch Lot selektiv auf Zelle oder Zellverbinder aufgebracht werden. Weiterhin ist es auch denkbar, die Zelle mit versetzten Kontaktstellen auszustatten, entsprechend der Anordnung der Verbindungsstellen 4, 5 in Fig. 4.
Die vorliegende Erfindung wird anhand der nachfolgend beigefügten Figuren näher erläutert, ohne jedoch be- schränkend im Sinne der dargestellten Figuren verstanden zu werden.
Figur 1 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Anordnung von zwei Leitern 2 und 3, die auf der Vorderseite sowie der Rückseite einer Solarzelle 1 angeordnet sind. Erkennbar ist, dass die beiden Leiter 2 und 3 in Projektionsrichtung auf die Vorderseite der Solarzelle (dies ist die Seite, auf der die Leiter- struktur 2 angeordnet ist) zur Deckung kommend angeordnet sind, d.h. in Projektionsrichtung übereinanderlegen .
Figur 2 zeigt eine aus dem Stand der Technik bekannte Art der Kontaktierung der beiden Leiter 2 und 3 auf der Solarzelle 1. Dabei sind die Leiter in Projektion auf die Vorderseite der Solarzelle wie in Figur 1 dargestellt angeordnet, d.h. liegen in Projektion übereinander. Die Kontaktierungen 4 des auf der Vor- derseite der Solarzelle 1 angebrachten Leiters 2 bzw.
5 des auf der Rückseite der Solarzelle 1 angeordneten Leiters 3 liegen dabei in Projektion ebenso übereinander. Spannungen, die beispielsweise beim Verlöten der Solarzelle durch die unterschiedlichen thermi- sehen Ausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien entstehen, können zu Materialversagen führen.
Eine alternative, aus dem Stand der Technik bekannte Art und Weise der Kontaktierung der Leiter 2 und 3 auf der Solarzelle 1 ist in Figur 3 dargestellt, dabei sind die Kontaktierungen 4 und 5 quasi über die ganze Solarzelle hindurch kontinuierlich ausgebildet. Auch hier sind die mechanischen Spannungen, die durch das Verlöten der Leiterbahnen 2 und 3 auf der Solar- zelle 1 entstehen, konserviert und können nicht wirksam abgebaut werden. Durch die erfindungsgemäße Art der Kontaktierung, wie in Figur 4 dargestellt, werden die mechanischen Spannungen bei weitem reduziert. Dabei erfolgt die Kon- taktierung über die Kontaktstellen 4 und 5 derart, dass diese Kontaktstellen jeweils versetzt zueinander angeordnet sind, d.h. in Projektion auf die Vorderseite der Solarzelle nicht zur Deckung kommen bzw. sich nicht überschneiden. Die Leiterbahnen 2 und 3 sind dabei wie in Figur 1 angeordnet dargestellt, d.h. kommen in Projektion auf die Vorderseite der Solarzelle zur Deckung.

Claims

Patentansprüche
Kontaktierte Solarzelle mit einer mindestens eine erste Kontaktstelle (4) aufweisenden Vorderseite sowie einer mindestens eine zweite Kontaktstelle (5) aufweisenden Rückseite, wobei die Kontaktstellen (4, 5) der Vorder- und der Rückseite jeweils mit mindestens einem ersten (2) bzw. mindestens einem zweiten (3) Leiter elektrisch leitend verbunden sind,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass sich in Projektion der Solarzelle auf die Vorderseite■ die Flächen der Kontaktstellen (4, 5) nicht überschneiden.
Solarzelle nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorder- und die Rückseite jeweils mindestens zwei Kontaktstellen (4, 5) , bevorzugt jeweils 2 bis 20, weiter bevorzugt jeweils 6 bis 14 Kontaktstellen (4, 5) aufweist.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktstellen (4, 5) linear angeordnet sind.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Leiter (2) und/oder der Leiter (3) ein Flachdraht ist.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Projektion der Solarzelle auf die Vorderseite die Leiter (2) und (3) jeweils paarweise zu Deckung kommen. Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktbereiche (4, 5) jeweils eine Fläche von 2 bis 30 mm2, bevorzugt von 4 bis 20 mm2, besonders bevorzugt 6 bis 18 mm2, aufweisen.
Verfahren zur Herstellung einer kontaktierten Solarzelle, bei dem mindestens ein erster Leiter (2) an mindestens einer Kontaktstelle (4), die sich auf der Vorderseite der Solarzelle befindet, und mindestens ein zweiter Leiter (3) an mindestens einer Kontaktstelle (5) , die sich auf der Rückseite der Solarzelle befindet, elektrisch leitend verbunden wird,
d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, dass sich in Projektion der Solarzelle auf die Vorderseite die Flächen der Kontaktstellen (4, 5) nicht überschneiden.
Verfahren nach vorhergehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Leiter (2) und/oder der mindestens eine Leiter (3) mit der mindestens einen Kontaktstelle (4) und/oder der mindesten einen Kontaktstelle (5) verlötet wird .
Verfahren nach einem der beiden vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kon- taktierung des mindestens einen ersten Leiters (2) mit der mindestens einen Kontaktstelle (4) und des mindestens einen zweiten Leiters (3) mit der mindestens einen Kontaktstelle (5) gleichzeitig in einem Arbeitsschritt erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, da durch gekennzeichnet, dass die abschnittsweise Kontaktierung im Lötverfahren durch eine ent- sprechende vor dem Löten erfolgende abschnittsweise Belegung mit Flussmittel und anschließendes Verlöten erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die abschnittsweise Kontaktierung im Verbindungsverfahren durch eine entsprechend versetzte Anordnung von verbindungsfähigem Material auf der Zelle erfolgt.
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