EP2556546A2 - Verfahren zur herstellung eines photovoltaik-moduls mit rückseitenkontaktierten halbleiterzellen - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines photovoltaik-moduls mit rückseitenkontaktierten halbleiterzellen

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EP2556546A2
EP2556546A2 EP11712894A EP11712894A EP2556546A2 EP 2556546 A2 EP2556546 A2 EP 2556546A2 EP 11712894 A EP11712894 A EP 11712894A EP 11712894 A EP11712894 A EP 11712894A EP 2556546 A2 EP2556546 A2 EP 2556546A2
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EP
European Patent Office
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semiconductor cells
carrier
contact
contacting
layer
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP11712894A
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ulrich Schaaf
Andreas Kugler
Martin Zippel
Patrick Stihler
Metin Koyuncu
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Robert Bosch GmbH
Original Assignee
Robert Bosch GmbH
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Filing date
Publication date
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a photovoltaic module with back-contacted semiconductor cells and a photovoltaic module with such a back contact.
  • Photovoltaic modules based on semiconductors which are known from the prior art consist of an entirety of semiconductor cells. In these, an electric voltage is generated under the action of an external light incidence.
  • the semiconductor cells are expediently interconnected in order to be able to tap the highest possible current intensity from the photovoltaic module. For a contacting of the semiconductor cells and an appropriate wiring within the photovoltaic module is necessary.
  • ribbon are used for routing. These are usually band-shaped conductor sections made of metal, in particular copper.
  • the contacting between a ribbon and the semiconductor cells interconnected therewith usually takes place by means of a soft solder connection. In this case, the contacts are led from an upper, light-active side of a semiconductor cell to a light-remote rear side of a next semiconductor line. At the contact points between the ribbon and the
  • Semiconductor cell are located on the semiconductor cells metallized contact areas on which the solder connection is made.
  • the method for producing a photovoltaic module with back-contacted semiconductor cells is characterized by the following method steps:
  • a non-conductive foil-type carrier In a first method step, provision is made of a non-conductive foil-type carrier. In a further step, the
  • a punctiform perforation breaking through the carrier is carried out in order to produce openings on the contact regions of the semiconductor cells.
  • a contacting agent is applied to the carrier for filling in the openings and for forming a contact-making layer for the semiconductor cells extending on the carrier.
  • the basic idea of the method according to the invention is first to arrange the semiconductor cells on a carrier, to cover them with the carrier on their contact sides and only in a subsequent one Step to form the contact of the semiconductor cells.
  • the contacting of the semiconductor cells takes place in such a way that the contact points of the semiconductor cells are "bored free.”
  • the openings created during this process are finally filled with a conductive material
  • a contacting layer for the semiconductor cells is applied on the rear side of the carrier.
  • the advantage of the method according to the invention is that the rear-side contacting takes place only when the semiconductor cells are already in place on the carrier.
  • the step of depositing the semiconductor cells is carried out independently of the actual contacting step of the semiconductor cells.
  • the contact points are only set when the position of each individual semiconductor cell is specified. Therefore, the positions of the semiconductor cells do not have to be adapted to previously given conductor tracks. Rather, the course of the conductor track or each individual contact point depends on the actual position of each semiconductor cell. As a result, the positional tolerances of each individual semiconductor cell that inevitably occur in mass production are completely unproblematic.
  • a lamination of the semiconductor cells can be carried out.
  • the semiconductor cells with the support are firmly connected, whereby they can not slip in the subsequent process steps or change their position in a different way.
  • the composite of the carrier and the laminated semiconductor cells forms an intermediate product which, if necessary, for subsequent
  • Processing steps can be stored without difficulty.
  • the contacting layer is at least partially covered with an insulating cover layer. Thereafter, a pointwise perforation penetrating the cover layer, the carrier and / or the conductor tracks for the purpose of producing openings on the contact regions of the semiconductor cells is carried out. Following this, a contacting agent is applied to the
  • Cover layer for filling the openings and for forming the further extending on the cover layer contacting layer applied.
  • the contacting agent can be applied in various ways.
  • the application of the contacting can be done by printing, spraying or selective soldering.
  • an image recognition of the semiconductor cells arranged on the carrier can be carried out, wherein a direct referencing of a perforating device to each individual semiconductor cell is carried out by image processing and / or reference setting. This means that the respectively real location and the position of each individual semiconductor cell is detected in situ, whereby the exposure of the sections provided for contacting can also take place precisely at the locations recognized in the image. The position deviations occurring during the placement of the semiconductor cells can thus be compensated without problems even if they are within a considerable tolerance width.
  • the image recognition is performed by a fluoroscopy device, wherein a fluoroscopic image is generated.
  • contour recognition is performed during image processing.
  • the perforating device is automatically moved as a result of the contour recognition to a predetermined position for generating the respective breakthrough.
  • the punctiform perforation is performed as a laser drilling using a laser drilling apparatus as a perforating device.
  • a photovoltaic module comprising a plurality of semiconductor cells with a rear-side contact and a carrier, which according to the invention is characterized in that the carrier is formed as a foil or a laminate.
  • the carrier has electrically filled apertures in the region of the semiconductor cells for forming a contact between the semiconductor cells and on a second carrier side extending interconnects made of conductive material.
  • the conductive material is expediently formed as a conductive lamination, an ink, a paste or a solder.
  • Fig. 2 shows a lamination step of the patch on the carrier
  • 4 shows a representation of the contacting step of the semiconductor cells
  • 5 shows a representation of a further layer structure with a further step of laser drilling
  • FIG. 7 is a schematic diagram of a fluoroscopy of the composite of carrier and semiconductor cells
  • FIG. 8 is an illustration of a photovoltaic module with a
  • FIG. 9 shows a further illustration of a photovoltaic module with a
  • Fig. 1 shows a placement step for semiconductor cells on a support.
  • the semiconductor cell 1 is formed, for example, as a crystalline photovoltaic cell. This consists in particular of silicon or a comparable semiconductor material and has the not shown here in detail for such cells doped areas for photovoltaic energy conversion of solar light energy into electrical voltage.
  • Each semiconductor cell contains in each case one contact side 2 with contact regions 3 arranged there. The contact regions are usually galvanically metallized or printed.
  • a carrier 4 is provided for backside contacting of the semiconductor cells and in particular their contact sides 2. This consists of a foil-like electrically insulating material or a foil-like laminate. 1, the contact surfaces of the semiconductor cells rest on the carrier and are thus completely covered by the carrier after the placement step.
  • the placement process as such is carried out by a placement mechanism 5, wherein the semiconductor cells are gripped and released in the present example by a suction device 6.
  • the settling of the semiconductor cells may also be replaced by printing, vapor deposition or lamination, not shown here, for realizing an organic photovoltaic module.
  • a polymer which functions as an organic semiconductor in particular a conjugated polymer with a corresponding electronic structure or a specially synthesized hybrid material, is applied to the film-like carrier.
  • the composite formed thereby is highly flexible, sufficiently thin and very easy to process further, the method steps described below can be carried out easily.
  • the encapsulation process shown in FIG. 1 is followed by an encapsulation step shown in FIG. 2 in the present example.
  • the semiconductor cells located on the carrier are covered with a lamination 7.
  • a lamination 7 it is possible, for example, to resort to a plastic film which is applied to the semiconductor cells in the course of a vacuum lamination.
  • EVA ethylene vinyl acetate
  • silicon-organic compounds silicon-organic compounds
  • thermoplastic lamination As an alternative to thermoplastic lamination, the use of reactive laminating materials is also possible, which may include: a. These are, in particular, substances or mixtures of substances which are castable or spreadable, which cure transparently under the action of electromagnetic radiation, and in which case the
  • the result of the encapsulation step is a composite of the film carrier, the semiconductor cells and the encapsulation, in which the semiconductor cells are optimally shielded from environmental influences.
  • the composite can easily be stored and stored as a semi-finished product and processed from time to time. As a result, the production process of the photovoltaic module is very flexible.
  • the lamination and encapsulation process shown in FIG. 2 can optionally be combined with a lamination onto a glass carrier, not shown here, of the later photovoltaic module.
  • the glass carrier is placed directly on the lamination, wherein the lamination simultaneously causes the connection of the composite of the semiconductor cells and the film on the glass substrate.
  • the photovoltaic module is virtually completely prefabricated, while the contacting of the semiconductor cells described below represents a final manufacturing step, which can be performed completely separated in time and place from the described preparation steps.
  • the composite shown in Fig. 2 is suitably turned, as shown in Fig. 3.
  • the carrier now forms the top of the layer structure.
  • each individual semiconductor cell arranged in the composite is previously scanned in a transillumination method which will be described in more detail later.
  • the position and position data of each individual semiconductor cell determined thereby and in particular their contact areas are transferred to a laser drilling arrangement 8.
  • the latter drives each individual semiconductor cell and emits a laser beam 9 in the required direction in the direction of the connection.
  • a series of openings 10 with exposed contact areas 3 is generated on the semiconductor cells 1.
  • the step of laser drilling is followed by a contacting step shown in FIG. 4.
  • the openings 10 with a conductive material 11 is filled.
  • the filled openings 10 form selective contact points of the semiconductor cells.
  • the conductive material is deposited along conductor tracks on the surface of the carrier. This will be the
  • FIG. 4 shows a first exemplary embodiment of a photovoltaic module 20 according to the invention.
  • the photovoltaic module has a front side 21 and a rear side 22, in which case the front side 21 as the
  • light-facing side and the back 22 is understood as the light-remote side of the photovoltaic module 20.
  • the conductive material for settling and applying the contacting layer can be made of various methods.
  • a printing method wherein as the conductive material, an ink or paste having high conductivity, in particular a nano-Ag ink or paste, can be used.
  • vapor deposition or plotting of the conductive material can take place.
  • the procedure is such that first the openings are filled in points by depositing conductive drops.
  • the necessary position data can be taken directly from a position memory of the laser drilling device.
  • the necessary interconnects between the individual contact points are calculated in a control unit.
  • the calculated tracks are translated into control pulses, which in turn are transmitted to a starting mechanism for a plotter or a vapor deposition nozzle.
  • the starting mechanism now moves the plotting pin or the vapor deposition nozzle over the carrier surface.
  • the plotter pin or the vapor deposition nozzle thereby bring the interconnects real on.
  • the filled openings 10 thereby form the typical for this embodiment of the method selective contacting points of the semiconductor cells. It is basically possible to apply several contacting tracks or planes. An example in this regard is shown in Figures 5 and 6. To apply the next contacting plane, the previously produced conductor track structures are at least partially covered by an electrically insulating covering layer 12.
  • the cover layer can be applied, for example, by a lamination process, it being possible to fall back on the materials customary therefor, in particular an EVA film. It is also possible spraying or printing by means of a screen printing process.
  • a lamination process it being possible to fall back on the materials customary therefor, in particular an EVA film.
  • spraying or printing by means of a screen printing process.
  • further exposed sections 10 are produced at further contact areas 3 of the semiconductor cells and then again filled with conductive material 13, thereby forming a second conductor track Layer 13a forms.
  • the production of the next contacting level also makes it possible, if necessary, to introduce additional electronic components and circuits. In this case, in particular, a bypass diode circuit can be generated.
  • Fig. 7 shows a more detailed representation of the previously mentioned scanning process.
  • the transilluminator device provided for this purpose consists of a movable radiation source 14 for generating a radiation 15 penetrating the composite.
  • a radiation source an X-ray source can be used.
  • the radiation 15 in this case is X-radiation.
  • the radiation is collected on an array 16, wherein the array detects a fluoroscopic image of a semiconductor cell 1 located in the beam path.
  • the raw data thus determined are sent to an image processing direction 17, in particular a computer with an image processing program transmitted.
  • the image processing device performs structure recognition on the fluoroscopic image, the positions of the forms contained in the image being determined, stored and transferred to a control unit of the laser drilling device.
  • a schematic fluoroscopy image 18 of a section of a semiconductor cell is shown. Due to the increased absorption capacity of the metallized contact areas, these show in the form of clearly detectable contours 19, the position of which can be clearly determined.
  • the image recognition of the contact areas can also be replaced or supplemented by a detection of a fiducial.
  • semiconductor cells are deposited on the carrier, the unique, clearly in the X-ray image showing reference structures, the position of each exposed contact area with respect to the reference structures is known in advance and thus can be calculated from the position of the fiducial.
  • cross structures which define a local coordinate system for each individual semiconductor cell can be used as the fiducial. This coordinate system is detected by the imaging process. The position of each individual contact area within the coordinate system is known in advance in each semiconductor cell. As a result, the contact areas can each be determined from the position of the fiducial, even if these areas do not show a contour in the fluoroscopic image.
  • the photovoltaic module 20 produced according to the invention very advantageously still offers the possibility of a protective layer 25 of a paint system on the rear contacting layer IIa, 13a
  • the protective layer 25 can be made of a coating system both on the back side 22 of a photovoltaic module 20 with exactly one contacting layer IIa (FIG. 8) and on the rear side 22 of a photovoltaic module 20 with a plurality of contacting layers IIa, 13a (FIG. 9). be applied.
  • such weather-resistant protective layers are usually formed of polyvinyl fluoride (Tedlar) -Kunststoffverbundfolien or glass. These materials are expensive compared to the paint and their processing less flexible.
  • the protective layer 25 can be applied locally only at specific locations or also over the whole area to a rear side 22 of the photovoltaic module 20, as required.
  • the application of the protective layer 25 from a paint system can be effected by rolling, spraying, laminating films or powder coatings.
  • the paint system comprises in one embodiment exactly one layer.
  • the paint system may include multiple layers.
  • the production-related, non-planar topography of the rear side 22 of the photovoltaic module 20 can advantageously be compensated by a protective layer 25 of several layers.
  • Protective layer 25 to produce design elements can be, for example, special colors, color effects, fonts, numbers or even symbols of all kinds.
  • Design elements can be, for example, special colors, color effects, fonts, numbers or even symbols of all kinds.

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaik-Moduls mit rückseitenkontaktierten Halbleiterzellen (1) mit jeweils auf einer Kontaktseite (2) vorgesehenen Kontaktbereichen (3), mit folgenden Verfahrensschritten: Bereitstellen eines nichtleitenden folienartigen Trägers (4), Aufsetzen der Kontaktseiten der Halbleiterzellen auf den Träger, Ausführen eines den Träger durchbrechenden Laserbohrens zum Erzeugen von Durchbrüchen (10) auf den Kontaktbereichen (3) der Kontaktseiten (2) der Halbleiterzellen (1), Aufbringen eines Kontaktiermittels (11) auf den Träger zum Verfüllen der Durchbrüche und zum Ausbilden einer auf dem Träger verlaufenden Kontaktierungsschicht.

Description

Beschreibung Titel Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaik-Moduls mit rückseitenkontak- tierten Halbleiterzellen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaik- Moduls mit rückseitenkontaktierten Halbleiterzellen und ein Photovoltaik- Modul mit einer derartigen Rückseitenkontaktierung.
Stand der Technik
Aus dem Stand der Technik bekannte Photovoltaik-Module auf der Basis von Halbleitern bestehen aus einer Gesamtheit von Halbleiterzellen. In diesen wird unter der Wirkung eines äußeren Lichteinfalls eine elektrische Spannung erzeugt. Die Halbleiterzellen sind zweckmäßig miteinander verschaltet, um von dem Photovoltaik-Modul eine möglichst hoher Stromstärke abgreifen zu können. Damit ist eine Kontaktierung der Halbleiterzellen und eine zweckmäßige Leitungsführung innerhalb des Photovoltaik-Moduls notwendig.
Bei bekannten Photovoltaik-Modulen werden zur Leitungsführung so genannte Bändchen verwendet. Dabei handelt es sich in der Regel um bandförmig ausgebildete Leiterabschnitte aus Metall, insbesondere Kupfer. Die Kontaktierung zwischen einem Bändchen und den damit verschalteten Halbleiterzellen erfolgt üblicherweise mittels einer Weichlotverbindung. Dabei sind die Kontakte von einer oberen lichtaktiven Seite einer Halbleiterzelle auf eine lichtabgewandte rückwärtige Seite einer nächsten Halblei- terzeile geführt. An den Kontaktstellen zwischen dem Bändchen und der
Halbleiterzelle befinden sich auf den Halbleiterzellen metallisierte Kontaktbereiche, auf denen die Lotverbindung vorgenommen wird.
Zum Erhöhen der Lichtausbeute derartiger Photovoltaik-Module wurden Versuche unternommen, die beschriebenen Kontaktierungen vollständig auf die lichtabgewandte rückwärtige Seite der Halbleiterzellen zu verlegen. Diese lichtabgewandte Seite bildet dann eine Kontaktseite der jeweiligen Halbleiterzellen. Dabei müssen die auf der gemeinsamen Kontaktseite angeordneten Kontaktbereiche mit einem unterschiedlichen Potential kontaktiert werden. Bei einer Vielzahl von Halbleiterzellen in einer zu realisierenden
Verschaltung und einer gegebenen geometrischen Anordnung werden durch dieses Erfordernis erhebliche Ansprüche an die Positionsgenauigkeit der Kontaktierungen gestellt, um Fehlschaltungen und Kurzschlussverbindungen sicher zu vermeiden. Die damit verbundenen Schwierigkeiten in Hinblick auf die genaue Positionierung der Halbleiterzellen in einer gegebenen Zellenanordnung bei einem gleichzeitig ablaufenden Verbindungsvorgang zwischen den Halbleiterzellen und diversen Substraten führen dazu, dass die hinsichtlich der Energieausbeute des Photovoltaik-Moduls vorteilhafte Rücksei- tenkontaktierung einen komplizierteren Fertigungsprozess mit sich bringt, der vor allem eine rationelle Produktion derartiger Module im Großserienmaßstab behindert.
Offenbarung der Erfindung Das Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaik-Moduls mit rückseitenkon- taktierten Halbleiterzellen zeichnet sich erfindungsgemäß durch folgende Verfahrensschritte aus:
Es erfolgt in einem ersten Verfahrensschritt ein Bereitstellen eines nicht- leitenden folienartigen Trägers. In einem weiteren Schritt werden die
Kontaktseiten der Halbleiterzellen auf den Träger aufgesetzt. Anschließend wird eine den Träger durchbrechende punktweise Perforation ausgeführt, um Durchbrüche auf den Kontaktbereichen der Halbleiterzellen zu erzeugen. Im Anschluss daran wird ein Kontaktiermittel auf den Träger zum Verfüllen der Durchbrüche und zum Ausbilden einer auf dem Träger verlaufenden Kontaktierungsschicht für die Halbleiterzellen aufgebracht.
Grundgedanke des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, zunächst die Halbleiterzellen auf einem Träger anzuordnen, diese mit dem Träger auf deren Kontaktseiten zu überdecken und erst in einem darauf folgenden Schritt die Kontaktierung der Halbleiterzellen auszubilden. Die Kontaktie- rung der Halbleiterzellen erfolgt so, dass die Kontaktstellen der Halbleiterzellen „freigebohrt" werden. Die dabei geschaffenen Durchbrüche werden abschließend mit einem leitfähigen Material verfüllt. Abschließend wird auf der rückwärtigen Trägerseite eine Kontaktierungsschicht für die Halbleiterzellen aufgebracht.
Der Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, dass die Rückseitenkontaktierung erst dann erfolgt, wenn sich die Halbleiterzellen bereits an Ort und Stelle auf dem Träger befinden. Der Verfahrensschritt des Absetzens der Halbleiterzellen einerseits wird unabhängig von dem eigentlichen Kontaktierungsschritt der Halbleiterzellen andererseits ausgeführt. Die Kontaktierungspunkte werden erst dann gesetzt, wenn die Lage jeder einzelnen Halbleiterzelle vorgegeben ist. Daher müssen die Positionen der Halbleiterzellen nicht an vorhergehend vorgegebene Leiterbahnen ange- passt werden. Vielmehr richtet sich der Verlauf der Leiterbahn bzw. jedes einzelnen Kontaktierungspunktes nach der tatsächlichen Lage jeder Halbleiterzelle. Dadurch sind die bei Großserienfertigungen unvermeidlich auftretenden Lagetoleranzen jeder einzelnen Halbleiterzelle völlig unproblema- tisch.
Zweckmäßigerweise kann nach dem Aufsetzen der Kontaktseiten der Halbleiterzellen ein Einlaminieren der Halbleiterzellen ausgeführt werden.
Dadurch sind die Halbleiterzellen mit dem Träger (Folie und Glas) fest verbunden, wodurch diese bei den nachfolgenden Verfahrensschritten nicht verrutschen oder ihre Lage in einer anderen Weise ändern können. Zudem bildet der Verbund aus dem Träger und den einlaminierten Halbleiterzellen ein Zwischenerzeugnis, das sich falls erforderlich für nachfolgende
Verarbeitungsschritte ohne Umstände bevorraten lässt.
Fall erforderlich kann nach dem Aufbringen des Kontaktiermittels
mindestens eine weitere Kontaktierungsschicht erzeugt werden. Dabei werden folgende Verfahrensschritten ausgeführt: Die Kontaktierungsschicht wird mindestens abschnittsweise mit einer isolierenden Deckschicht überdeckt. Danach wird eine die Deckschicht, den Träger und/oder die Leiterbahnen durchbrechende punktweise Perforation zum Erzeugen von Durchbrüchen auf den Kontaktbereichen der Halbleiter- zellen ausgeführt. Im Anschluss daran wird ein Kontaktiermittel auf die
Deckschicht zum Verfüllen der Durchbrüche und zum Ausbilden der weiteren auf der Deckschicht verlaufenden Kontaktierungsschicht aufgebracht. Hierdurch lassen sich problemlos auch aufwändigere Verschaltungen zwischen den Halbleiterzellen erzeugen.
Das Kontaktiermittel kann auf verschiedene Weise aufgebracht werden. Das Aufbringen des Kontaktiermittels kann durch ein Aufdrucken, ein Aufsprühen oder ein selektives Löten erfolgen. Bei dem Ausführen der punktweisen Perforation kann bei einer zweckmäßigen Ausgestaltung des Verfahrens eine Bilderkennung der auf dem Träger angeordneten Halbleiterzellen ausgeführt werden, wobei durch eine Bildverarbeitung und/oder eine Bezugspunktsetzung eine direkte Referenzie- rung einer Perforiervorrichtung auf jeder einzelnen Halbleiterzelle ausge- führt wird. Das bedeutet, dass der jeweils reale Ort und die Lage jeder einzelnen Halbleiterzelle in situ erfasst wird, wobei das Freilegen der zur Kontaktierung vorgesehenen Abschnitte auch genau an den bildmäßig erkannten Stellen erfolgen kann. Die bei dem Aufsetzen der Halbleiterzellen auftretenden Lageabweichungen können somit auch dann, wenn sie inner- halb einer beträchtlichen Toleranzbreite liegen, problemlos ausgeglichen werden.
Zweckmäßigerweise wird die Bilderkennung durch eine Durchleuchtungseinrichtung ausgeführt, wobei ein Durchleuchtungsbild erzeugt wird. An dem Durchleuchtungsbild wird bei der Bildverarbeitung eine Konturerkennung ausgeführt. Die Perforiervorrichtung wird im Ergebnis der Konturerkennung selbsttätig an eine vorbestimmte Position zum Erzeugen des jeweiligen Durchbruchs bewegt. Zweckmäßigerweise wird die punktweise Perforation als ein Laserbohren unter Verwendung einer Laserbohrvorrichtung als Perforiervorrichtung ausgeführt.
Vorrichtungsseitig ist ein Photovoltaik-Modul, umfassend eine Vielzahl von Halbleiterzellen mit einer Rückseitenkontaktierung und einen Träger vorgesehen, das sich erfindungsgemäß dadurch auszeichnet, dass der Träger als eine Folie oder ein Laminat ausgebildet ist. Der der Träger weist elektrisch leitfähig verfüllte Durchbrüche im Bereich der Halbleiterzellen zum Ausbilden einer Kontaktierung zwischen den Halbleiterzellen und auf einer zweiten Trägerseite verlaufenden Leitbahnen aus leitfähigem Material auf.
Das leitfähige Material ist zweckmäßigerweise als eine leitfähige Laminie- rung, eine Tinte, eine Paste oder ein Lot ausgebildet.
Beschreibung der Zeichnungen
Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Photovoltaik- Module sollen nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es ist zu beachten, dass die Zeichnungen ausschließlich beschreibenden Charakter tragen und nicht dazu bestimmt sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
Fig. 1 eine Darstellung des Aufsetzschrittes der Halbleiterzellen auf den Träger,
Fig. 2 einen Laminierschritt der auf dem Träger aufgesetzten
Halbleiterzellen,
Fig. 3 eine Darstellung des Laserbohrens der laminierten Halbleiterzellen,
Fig. 4 eine Darstellung des Kontaktierschrittes der Halbleiterzellen, Fig. 5 eine Darstellung eines weiteren Schichtaufbaus mit einem weiteren Schritt des Laserbohrens,
Fig. 6 eine Darstellung eines weiteren Kontaktierschrittes,
Fig. 7 eine Prinzipdarstellung einer Durchleuchtung des Verbundes aus Träger und Halbleiterzellen,
Fig. 8 eine Darstellung eines Photovoltaik-Moduls mit einer
Schutzschicht aus einem Lackschicht und
Fig. 9 eine weitere Darstellung eines Photovoltaik-Moduls mit einer
Schutzschicht aus einem Lacksystem.
Ausführungsformen der Erfindung
Die nachfolgend beschriebenen beispielhaften Verfahrensschritte werden anhand von Schnittdarstellungen erläutert. Fig. 1 zeigt einen Aufsetzschritt für Halbleiterzellen auf einem Träger.
Die Halbleiterzelle 1 ist beispielsweise als eine kristalline Photovoltaikzelle ausgebildet. Diese besteht insbesondere aus Silizium oder einem vergleichbaren Halbleitermaterial und weist die für derartige Zellen hier nicht im einzelnen dargestellten dotierten Bereiche zur photovoltaischen Energieumsetzung von solarer Lichtenergie in elektrische Spannung auf. Jede Halbleiterzelle enthält jeweils eine Kontaktseite 2 mit dort angeordneten Kontaktbereichen 3. Die Kontaktbereiche sind üblicherweise galvanisch metallisiert oder gedruckt.
Zur Rückseitenkontaktierung der Halbleiterzellen und insbesondere deren Kontaktseiten 2 ist ein Träger 4 vorgesehen. Dieser besteht aus einem folienartigen elektrisch isolierenden Material oder einem folienartigen Laminat. Der Aufsetzvorgang wird gemäß der Darstellung aus Fig. 1 so ausgeführt, dass die Kontaktseiten der Halbleiterzellen auf dem Träger aufliegen und somit nach dem Aufsetzschritt vollständig von dem Träger überdeckt sind. Der Aufsetzvorgang als solcher wird von einer Aufsetzmechanik 5 ausge- führt, wobei die Halbleiterzellen in dem hier vorliegenden Beispiel durch eine Saugvorrichtung 6 ergriffen und freigegeben werden.
Das Absetzen der Halbleiterzellen kann auch durch ein hier nicht dargestelltes Aufdrucken, Aufdampfen oder Auflaminieren zum Realisieren eines organischen Photovoltaik-Moduls ersetzt sein. Bei einem solchen Fertigungsvorgang wird ein als organischer Halbleiter fungierendes Polymer, insbesondere ein konjugiertes Polymer mit einer entsprechenden Elektronenstruktur oder ein speziell synthetisiertes Hybridmaterial auf den folienartigen Träger aufgebracht. Der dadurch gebildete Verbund ist hoch flexibel, hinreichend dünn und sehr leicht weiter zu verarbeiten, wobei die nachfolgend beschriebenen Verfahrensschritte problemlos ausführbar sind.
Dem in Fig. 1 gezeigten Aufsetzvorgang schließt sich bei dem hier vorliegenden Beispiel ein in Fig. 2 gezeigter Verkapselungsschritt an. Dabei werden die auf dem Träger befindlichen Halbleiterzellen mit einer Laminie- rung 7 überdeckt. Zur Laminierung kann beispielsweise auf eine Kunststofffolie zurückgegriffen werden, die im Zuge einer Vakuumlaminierung auf die Halbleiterzellen aufgebracht wird. Zur Laminierung eignet sich insbesondere Ethylenvinylazetat (EVA) oder ein Kunststoff auf der Grundlage siliziumor- ganischer Verbindungen (Silikon). Beide Materialien können der Gesamtheit der Halbleiterzellen thermoplastisch überformt werden.
Alternativ zur thermoplastischen Laminierung ist auch der Einsatz von reaktiven Laminiermaterialien möglich, die u. a. unter der Bezeichnung „dam and fill" bekannt sind. Hierbei handelt es sich insbesondere um Stoffe oder Stoffgemische, die gieß- oder streichfähig sind, unter der Einwirkung elektromagnetischer Strahlung transparent aushärten und dabei die
Gesamtheit der Halbleiterzellen auf dem Träger lichtdurchlässig verkapseln. Als Ergebnis des Verkapselungsschrittes entsteht ein Verbund aus dem Folienträger, den Halbleiterzellen und der Verkapselung, bei dem die Halbleiterzellen optimal von Umwelteinflüssen abgeschirmt sind. Der Verbund kann problemlos zwischengelagert und als Halbzeug bevorratet und von Zeit zu Zeit weiter verarbeitet werden. Dadurch gestaltet sich der Ferti- gungsprozess des Photovoltaik-Moduls sehr flexibel.
Der in Fig. 2 gezeigte Laminier- und Verkapselungsvorgang kann optional mit einem Auflaminieren auf einen hier nicht gezeigten Glasträger des späteren Photovoltaik-Moduls kombiniert werden. Dabei wird der Glasträger unmittelbar auf die Laminierung aufgesetzt, wobei die Laminierung gleichzeitig die Anbindung des Verbundes aus den Halbleiterzellen und der Folie auf dem Glasträger bewirkt. In einem solchen Fall wird das Photovoltaik-Modul praktisch komplett vorgefertigt, während die nachfolgend beschriebene Kontaktierung der Halbleiterzellen einen letzten Fertigungsschritt darstellt, der zeitlich und örtlich vollkommen von den beschriebenen Vorbereitungsschritten getrennt ausgeführt werden kann.
Für die weiteren Verfahrensschritte wird der in Fig. 2 gezeigte Verbund zweckmäßigerweise gewendet, wie in Fig. 3 gezeigt. Der Träger bildet nunmehr die Oberseite des Schichtaufbaus. Zunächst wird jede einzelne in dem Verbund angeordnete Halbleiterzelle vorhergehend in einem später genauer beschriebenen Durchleuchtungsverfahren abgescannt. Die dabei ermittelten Lage- und Positionsdaten jeder einzelnen Halbleiterzelle und insbesondere deren Kontaktbereiche werden einer Laserbohranordnung 8 übergeben. Diese fährt jede einzelne Halbleiterzelle an und strahlt an den jeweils erforderlichen Stellen einen Laserstrahl 9 in Richtung des Verbun- des ab. Dabei wird eine Reihe von Durchbrüchen 10 mit freiliegenden Kontaktbereichen 3 auf den Halbleiterzellen 1 erzeugt.
Dem Schritt des Laserbohrens schließt sich ein in Fig. 4 gezeigter Kontaktierschritt an. Bei diesem Verfahrensschritt werden die Durchbrüche 10 mit einem leitfähigen Material 11 verfüllt. Die verfüllten Durchbrüche 10 bilden dabei selektive Kontaktierungspunkte der Halbleiterzellen.
In Verbindung damit wird das leitfähige Material entlang von Leiterbahn- strukturen auf der Oberfläche des Trägers abgesetzt. Dadurch wird die
Rückseitenkontaktierung des Photovoltaik-Moduls erzeugt. Die Leiterbahnstrukturen und die Verfüllungen aus dem leitfähigen Material bilden dabei eine rückwärtige Kontaktierungsschicht IIa aus. Damit zeigt Fig. 4 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Photovoltaik-Moduls 20. Das Photovoltaik-Modul weist eine Vorderseite 21 und eine Rückseite 22 auf, wobei hier die Vorderseite 21 als die
lichtzugewandte Seite und die Rückseite 22 als die lichtabgewandte Seite des Photovoltaik-Moduls 20 verstanden wird.
Zum Absetzen und Aufbringen der Kontaktierungsschicht kann auf verschiedene Verfahren zurückgegriffen werden. So ist es möglich, ein Druckverfahren anzuwenden, wobei als leitfähiges Material eine Tinte oder Paste mit hoher Leitfähigkeit, insbesondere eine Nano-Ag-Tinte oder -Paste, verwen- det werden kann.
Ebenso kann ein Aufdampfen oder ein Aufplotten des leitfähigen Materials erfolgen. Zweckmäßigerweise wird dabei so vorgegangen, dass zunächst die Durchbrüche durch ein Absetzen von leitfähigen Tropfen punktweise ausge- füllt werden. Die dafür notwendigen Positionsdaten können direkt aus einem Positionsspeicher der Laserbohrvorrichtung entnommen werden.
Anschließend werden in einer Steuereinheit die notwendigen Leiterbahnen zwischen den einzelnen Kontaktierungspunkten errechnet. Die zu errechneten Leiterbahnen werden in Steuerimpulse übersetzt, die wiederum an eine Anfahrmechanik für einen Plotstift oder eine Aufdampfdüse übertragen werden. Die Anfahrmechanik bewegt nun den Plotstift bzw. die Aufdampfdüse über die Trägeroberfläche. Der Plotstift bzw. die Aufdampfdüse bringen dabei die Leitbahnen real auf. Die verfüllten Durchbrüche 10 bilden dabei die für diese Ausführungsform des Verfahrens typischen selektiven Kontaktierungspunkte der Halbleiterzellen. Es ist grundsätzlich möglich, mehrere Kontaktierungsbahnen oder -ebenen aufzubringen. Ein diesbezügliches Beispiel ist in den Figuren 5 und 6 dargestellt. Zum Aufbringen der nächsten Kontaktierungsebene werden die vorhergehend erzeugten Leiterbahnstrukturen mit einer elektrisch isolierenden Deckschicht 12 mindestens teilweise überdeckt. Die Deckschicht kann bei- spielsweise durch einen Laminiervorgang aufgebracht werden, wobei dabei auf die dafür üblichen Materialien, insbesondere eine EVA-Folie, zurückgegriffen werden kann. Möglich ist auch ein Aufsprühen oder ein Aufdrucken mittels eines Siebdruckverfahrens. In dem dabei geschaffenen Verbund werden in einer wiederholten Anwendung des vorher beschriebenen und in Fig. 3 gezeigten Verfahrensschrittes des Laserbohrens weitere freiliegende Abschnitte 10 an weiteren Kontaktbereichen 3 der Halbleiterzellen erzeugt und im Anschluss daran erneut mit leitfähigem Material 13 verfüllt, wobei sich dadurch eine zweite Leiterbahn- schicht 13a herausbildet. Die Fertigung der nächstfolgenden Kontaktierungsebene ermöglicht auch ein bei Bedarf notwendiges Einbringen zusätzlicher elektronischer Bauelemente und Schaltungen. Dabei kann insbesondere eine Bypass-Dioden-Schaltung erzeugt werden. Fig. 7 zeigt eine genauere Darstellung des vorhergehend bereits erwähnten Scanvorgangs. Bei dem hier vorliegenden Beispiel wird der Scanvorgang als ein Durchleuchten ausgeführt. Die dafür vorgesehene Durchleuchtungseinrichtung besteht aus einer verfahrbaren Strahlungsquelle 14 zum Erzeugen einer den Verbund durchdringenden Strahlung 15. Als Strahlungsquelle kann dabei auf eine Röntgenquelle zurückgegriffen werden. Die Strahlung 15 ist in diesem Fall Röntgenstrahlung.
Die Strahlung wird auf einem Array 16 aufgefangen, wobei das Array ein Durchleuchtungsbild einer im Strahlengang befindlichen Halbleiterzelle 1 erfasst. Die so ermittelten Rohdaten werden an eine Bildverarbeitungsein- richtung 17, insbesondere einen Rechner mit einem Bildverarbeitungsprogramm, übertragen.
Die Bildverarbeitungseinrichtung führt an dem Durchleuchtungsbild eine Strukturerkennung aus, wobei die Positionen der in dem Bild enthaltenen Formen ermittelt, gespeichert und an eine Steuereinheit der Laserbohrvorrichtung übergeben werden.
Ergänzend ist hierzu ein schematisches Durchleuchtungsbild 18 eines Abschnitts einer Halbleiterzelle gezeigt. Durch das erhöhte Absorptionsvermögen der metallisierten Kontaktbereiche zeigen sich diese in Form deutlich erfassbarer Konturen 19, deren Position eindeutig feststellbar ist.
Die Bilderkennung der Kontaktbereiche kann auch durch eine Detektion eines Fiducials ersetzt oder ergänzt werden. Dabei werden Halbleiterzellen auf dem Träger abgesetzt, die eindeutige, sich im Röntgenbild deutlich zeigende Referenzstrukturen enthalten, wobei die Lage jedes freizulegenden Kontaktbereiches in Bezug auf die Referenzstrukturen vorab bekannt ist und somit aus der Lage des Fiducials errechnet werden kann. Als Fiducial können insbesondere Kreuzstrukturen eingesetzt werden, die für jede einzelne Halbleiterzelle ein lokales Koordinatensystem definieren. Diese Koordinatensystem wird durch das bildgebende Verfahren erfasst. Die Lage jedes einzelnen Kontaktbereiches innerhalb des Koordinatensystems ist vorab bei jeder Halbleiterzelle bekannt. Dadurch können die Kontaktberei- che jeweils aus der Lage des Fiducials bestimmt werden, auch dann, wenn diese Bereiche keine Kontur im Durchleuchtungsbild zeigen.
Im Übrigen bietet das erfindungsgemäß hergestellte Photovoltaik-Modul 20 sehr vorteilhaft noch die Möglichkeit, eine Schutzschicht 25 aus einem Lacksystem auf die rückwärtige Kontaktierungsschicht IIa, 13a
aufzubringen. Dabei kann die Schutzschicht 25 aus einem Lacksystem sowohl auf die Rückseite 22 eines Photovoltaik-Moduls 20 mit genau einer Kontaktierungsschicht IIa (Fig. 8) als auch auf die Rückseite 22 eines Photovoltaik-Moduls 20 mit mehreren Kontaktierungsschichten IIa, 13a (Fig. 9) aufgebracht werden. Bisher werden solche witterungsfesten Schutzschichten in der Regel aus Polyvinylfluorid (Tedlar)-Kunststoffverbundfolien oder aus Glas gebildet. Diese Materialien sind im Vergleich zum Lack teuer und deren Verarbeitung weniger flexibler. Sehr vorteilhaft kann die Schutzschicht 25 je nach Bedarf lokal nur an bestimmten Stellen oder aber auch ganzflächig auf eine Rückseite 22 des Photovoltaik-Moduls 20 aufgebracht werden.
Das Aufbringen der Schutzschicht 25 aus einem Lacksystem kann dabei durch ein Walzen, Spritzen, Laminieren von Folien oder Pulverbeschichten erfolgen. Das Lacksystem umfasst dabei in einer Ausführungsform genau eine Lage. Alternativ dazu kann das Lacksystem mehrere Lagen umfassen. Übrigens kann vorteilhafterweise durch eine Schutzschicht 25 aus mehreren Lagen die herstellungsbedingte, nicht-ebene Topographie der Rückseite 22 des Photovoltaik-Moduls 20 ausgeglichen werden.
Nach dem Auftragen der Schutzschicht 25 kann noch bei Bedarf ein separater Prozessschritt zum optimalen Aushärten und Trocknen derselben durchgeführt werden. Im Übrigen bietet das Verfahren die Möglichkeit, Strukturen in der
Schutzschicht 25 zur Bildung von Design-Elementen zu erzeugen. Design- Elemente können beispielsweise besondere Farben, Farbeffekte, Schriften, Zahlen oder auch Symbole aller Art sein. Das Einarbeiten der Design- Elemente in die Schutzschicht 25 erfolgt durch an sich bekannte
Technologien.
Im Rahmen fachmännischen Handelns sind weitere Ausführungsformen und Abwandlungen möglich. Diese ergeben sich insbesondere aus den Unteransprüchen.

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaik-Moduls (20) mit rückseiten- kontaktierten Halbleiterzellen (1) mit jeweils auf einer Kontaktseite (2) vorgesehenen Kontaktbereichen (3), mit folgenden Verfahrensschritten:
- Bereitstellen eines nichtleitenden folienartigen Trägers (4),
- Aufsetzen der Kontaktseiten (2) der Halbleiterzellen (1) auf den Träger (4),
- Ausführen einer den Träger (4) durchbrechenden punktweisen Perforation zum Erzeugen von Durchbrüchen (10) auf den Kontaktbereichen (3) der Kontaktseiten (2) der Halbleiter- zellen (1),
- Aufbringen eines Kontaktiermittels (11) auf den Träger (4) zum Verfüllen der Durchbrüche (10) und zum Ausbilden einer auf dem Träger (4) verlaufenden Kontaktierungsschicht (IIa).
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem Aufsetzen der Kontaktseiten (2) der Halbleiterzellen (1) ein Auflaminieren der Halbleiterzellen (1) auf den Träger (4) ausgeführt wird, wodurch die Halbleiterzellen (1) mit einer Laminierung (7) überdeckt werden, insbesondere mit einer Laminierung (7) aus
Ethylenvinylazetat (EVA) oder Kunststoff auf der Grundlage
siliziumorganischer Verbindungen (Silikon).
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
nach dem Aufbringen des Kontaktiermittels (11) mindestens eine weitere Kontaktierungsschicht (13a) erzeugt wird, mit den Verfahrensschritten: - mindestens abschnittsweise erfolgendes Überdecken der Kontaktierungsschicht (IIa) mit einer isolierenden Deckschicht (12),
- Ausführen einer die Deckschicht (12), den Träger (4) und/oder die Leiterbahnen durchbrechenden punktweisen Perforation zum Erzeugen von Durchbrüchen (10) auf den Kontaktbereichen (3) der Halbleiterzellen (1),
- Aufbringen eines Kontaktiermittels (13) auf die Deckschicht (12) zum Verfüllen der Durchbrüche und zum Ausbilden der weiteren auf der Deckschicht (12) verlaufenden Kontaktierungsschicht (13a).
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Aufbringen des Kontaktiermittels (11, 13) durch ein Aufdrucken, ein Aufsprühen oder ein selektives Löten erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
bei der punktweisen Perforation eine Bilderkennung der auf dem Träger (4) angeordneten Halbleiterzellen (1) ausgeführt wird, wobei durch eine Bildverarbeitung und/oder eine Bezugspunktsetzung eine direkte Refe- renzierung einer Perforiervorrichtung (8) auf jeder einzelnen Halbleiterzelle (1) ausgeführt wird.
6. Verfahren nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass
zur Bilderkennung durch eine Durchleuchtungseinrichtung (14, 16, 17) ein Durchleuchtungsbild (18) erzeugt wird, wobei bei der Bildverarbeitung eine Konturerkennung (19) an jedem Durchleuchtungsbild ausgeführt wird und die Perforiervorrichtung (8) im Ergebnis der Konturerkennung selbsttätig an eine daraus bestimmte Position zum Erzeugen des jeweiligen Durchbruchs (10) bewegt wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass
die punktweise Perforierung in Form eines Laserbohrens unter Verwendung einer Laserbohrvorrichtung ausgeführt wird.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Schutzschicht (25) aus einem Lacksystem auf die rückwärtige Kontaktierungsschicht (IIa, 13a) aufgebracht wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Schutzschicht (25) ganzflächig auf eine Rückseite (22) des
Photovoltaik-Moduls (20) aufgebracht wird.
10. Verfahren nach Anspruch 8 oder 9,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Aufbringen der Schutzschicht (25) durch ein Walzen, Spritzen, Laminieren von Folien oder Pulverbeschichten erfolgt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Lacksystem genau eine Lage umfasst.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 10,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Lacksystem mehrere Lagen umfasst.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 8 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass
Strukturen in der Schutzschicht (25) erzeugt werden zur Bildung von Design-Elementen.
14.Photovoltaik-Modul (20), umfassend eine Vielzahl von Halbleiterzellen (1) mit einer Rückseitenkontaktierung und einen Träger (4), wobei der Träger als eine isolierende Folie ausgebildet ist und die Halbleiterzellen mit ihren Kontaktseiten auf einer ersten Trägerseite aufliegen, wobei der Träger elektrisch leitfähig verfüllte Durchbrüche (10) für eine
Kontaktierung zwischen den Halbleiterzellen auf der ersten Trägerseite und mindestens einer auf einer zweiten Trägerseite verlaufenden Kon- taktierungsschicht (IIa, 13a) aufweist.
15.Photovoltaik-Modul (20) nach Anspruch 14,
dadurch gekennzeichnet, dass
das leitfähige Material (11) eine leitfähige Laminierung, eine in
Tintenform aufgebrachte Spur, eine Paste und/oder ein Lot ist.
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