WO2003041179A1 - Fertigungsverfahren für solarzelleneinheiten - Google Patents

Fertigungsverfahren für solarzelleneinheiten

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WO2003041179A1
WO2003041179A1 PCT/DE2002/004126 DE0204126W WO03041179A1 WO 2003041179 A1 WO2003041179 A1 WO 2003041179A1 DE 0204126 W DE0204126 W DE 0204126W WO 03041179 A1 WO03041179 A1 WO 03041179A1
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Reinhard Wecker
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Ass Automotive Solar Systems Gmbh
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    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/048—Encapsulation of modules
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    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B17/00—Layered products essentially comprising sheet glass, or glass, slag, or like fibres
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a method for producing solar cell units, such as those used for solar roofs in motor vehicles. Furthermore, a solar cell unit and a device for manufacturing solar cell units are described.
  • Such solar cell units usually consist of a multilayer laminate.
  • the top layer is a glass plate adapted to the vehicle contour. It also serves as mechanical protection and support for the solar cell unit.
  • the solar cells themselves are embedded on both sides in layers of plastic material such as EVA (ethylene vinyl acetate) and laminated onto the glass substrate.
  • EVA ethylene vinyl acetate
  • the rear plastic film which is arranged behind the solar cells, is usually colored accordingly. In the case of black solar cells, for example, this is provided with a black coloring similar to the solar cells.
  • an additional back film is provided at the end and as mechanical protection of the back. This can be, for example, a colored or transparent film, preferably made of EVA.
  • Connection conductors are overstretched such that another inspection after the lamination process perfect contact exists.
  • This contact can, however, be destroyed by the smallest additional mechanical stresses, such as those that occur, for example, when installing the solar cell units in motor vehicles or also under thermal stress due to solar radiation.
  • premature aging of the contacts could be determined, so that they only failed after a few weeks or months in use. In these cases, the clear assignment of these error patterns to the causes is only possible with lengthy and costly investigations.
  • Laminated groups of solar cell elements are described in European Patent EP 0 710 991 B1.
  • this insulating tape now shrinks in length and thus shortens the distance between the individual solar cells, so that the connecting part bulges slightly upwards.
  • this method cannot be used for large-area solar cell units, since here the required shrinkage over the area is not defined enough that the result is not sufficiently reproducible.
  • mechanical relief of the connection elements of the solar cells is achieved by additional measures. These measures must be carried out before the start of the application of increased pressure, since after the application of pressure, the internal friction of the foils or solar cells with one another leads to undefined results or to great mechanical stress. These measures advantageously also take place after the module has been produced.
  • the glass carrier is mechanically deflected before or during the application of increased pressure, the deflection of the glass carrier being reduced to the original value after the application of increased pressure.
  • This process can be divided into two phases. In the first phase, the layers of the laminate lay on top of one another without pressure, so that they can move against one another at least slightly. Now the glass support is bent in such a way that the contact area of the solar cells on the glass support increases at least slightly. Because the individual layers are still loosely on top of each other these now shift in such a way that they rest largely without tension on the surface of the glass carrier. Now the second phase begins.
  • the layers are pressed against each other in such a way that they can hardly move against each other and they fuse under the influence of temperature. If the deflection of the glass carrier is now reduced to a value which corresponds to its natural position, the individual solar cells are pushed together. As a result of this shortening, the connecting elements are effectively compressed, so that they can even compensate for at least slight extensions in the future.
  • Another advantageous embodiment consists in that a separating medium is used between the foils.
  • This separation medium is advantageously nonwoven, for example a glass fiber fabric.
  • the separating medium is attached to the colored film or to the cells before cutting and then processed together with them.
  • a further embodiment of the invention provides that the cooling process of the solar cell unit takes place while maintaining a predetermined temperature profile. Controlled movements or tensions within the laminate can also be avoided by such controlled cooling. This can prevent early failures of the finished product.
  • the cooling at the end of the lamination process is particularly preferably controlled in such a way that the
  • Temperature difference between different locations of the solar cell unit max. Is 5 degrees Celsius.
  • the cooling process takes place in stages, the maximum temperature difference between two successive stages being less than 20 degrees Celsius.
  • the cooling process takes place in such a way that the temperature change is less than 10 degrees Celsius per minute.
  • connection elements are used which are mechanically deformable. This deformability includes plasticity and elasticity. The important thing here is that the connection elements can be compressed and stretched in their final position.
  • connection elements are used which contain at least one bead. Such beads can be compressed or stretched.
  • connection elements are used which contain at least one spring element.
  • connection elements can be a coil spring, for example.
  • beads are introduced into the connection elements. This can be achieved by an additional manufacturing process, for example with a bending machine or a punch.
  • connection elements which run along the main bending direction of the glass carrier.
  • the mechanical stress on the connection elements is greatest in this direction. Compensation elements are thus preferably introduced in this direction. Compensation elements in other directions can be dispensed with in order to save costs.
  • connection elements of the solar cells have means for mechanical Pressure relief. Such means are shown in the foregoing description.
  • a device according to the invention for the production of solar roofs has means for mechanically relieving the connection elements of the solar cells before the start or during the application of increased pressure.

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Abstract

Beschrieben wird ein Verfahren zur Herstellung von Solarzelleneinheiten durch Laminieren eines Schichtaufbaus mit in Kunststofflagen eingebetteten Solarzellen auf einem Glasträger unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur. Zur Vermeidung von Frühausfällen und insbesondere späteren Feldausfällen der fertigen Solarzelleneinheiten wird eine mechanische Entlastung der Anschlusselemente der Solarzellen bewirkt.

Description

B E S C H R E I B TJ N G
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Fertigung von Solarzelleneinheiten, wie sie beispielsweise für Solardächer in Kraftfahrzeugen eingesetzt werden. Weiterhin wird eine Solarzelleneinheit sowie eine Vorrichtung zur Fertigung von Solarzelleneinheiten beschrieben.
Derartige Solarzelleneinheiten bestehen meist aus einem mehrschichtigen Laminat. Die oberste Schicht ist eine der Fahrzeugkontur angepasste Glasplatte. Sie dient gleichzeitig als mechanischer Schutz und Träger der Solarzelleneinheit. Die Solarzellen selbst werden beidseitig in Schichten aus Kunststoffmaterial wie beispielsweise EVA (Ethylenvinylacetat) eingebettet auf den Glasträger laminiert. Um eine optisch ansprechende Gestaltung der Solarzelleneinheit zu erreichen ist meist die rückseitige Kunststofffolie, welche hinter den Solarzellen angeordnet ist entsprechend farbig gestaltet. So ist diese beispielsweise bei schwarzen Solarzellen mit einer den Solarzellen ähnlichen Schwarzfärbung versehen. Zum Abschluss und als mechanischer Schutz der Rückseite ist eine zusätzliche Rückfolie vorgesehen. Diese kann beispielsweise eine farbige bzw. transparente Folie, vorzugsweise aus EVA, sein. Die nachfolgenden Ausführungen bezüglich des Laminiervorganges gelten selbstverständlich nicht nur für die hier beispielhaft angegebenen Ausführungen sondern für alle Arten der Laminierung von Solarzelleneinheiten. Der Laminiervorgang selbst wird in Laminatoren unter Druck und erhöhten Temperaturen durchgeführt. Um hier eine dauerhaft feste und dichte Verbindung der Schichten zu erreichen, muss das Kunststoffmaterial auf
Temperaturen erwärmt werden, bei denen es zumindest verformbar wird. Damit tritt ein - wenn auch häufig nur geringes - fließen der Schichten ein. Dies kann zu einer Reihe von unerwünschten Effekten führen. So wurde beispielsweise eine Verschiebung der Solarzellen beim
Laminiervorgang beobachtet. Dies kann von einer optischen Beeinträchtigung durch unsymmetrische Anordnung der Solarzellen bis hin zu Kurzschlüssen innerhalb der Anordnung durch direkte Berührung der Solarzellen führen. Andere Fehler, die beim Laminierprozess auftreten können, sind beispielsweise Schlieren im Hintergrund durch vermischen der gefärbten Folie mit der vorderen Folie oder auch Brüche des Glasträgers. Derartige Fehler lassen sich allerdings unmittelbar nach dem Laminiervorgang durch eine Inspektion feststellen. Sie führen zu einem unerwünschten Ausschuss in der Fertigung und damit zu erhöhten Fertigungskosten.
Wesentlich gravierender sind aber Ausfälle der Solarzelleneinheiten beim Kunden. Sie verursachen extrem hohe Folgekosten und sind für den Ruf des Lieferanten besonders schädlich. Diese Ausfälle können beispielsweise durch eine zu hohe mechanische Belastung der Anschlusselemente der Solarzellen während des Laminiervorganges beschleunigt werden. So kann die Kontaktierung der Solarzellen selbst oder auch der
Verbindungsleiter derart überdehnt werden, so dass bei eine Inspektion nach dem Laminiervorgang noch einen einwandf eien Kontakt besteht. Dieser Kontakt kann aber durch kleinste zusätzliche mechanische Beanspruchungen zerstört werden, wie diese beispielsweise beim Einbau der Solarzelleneinheiten in Kraftfahrzeuge oder auch bei thermischer Belastung aufgrund Sonneneinstrahlung auftreten. In einigen dieser Fälle konnte auch eine vorzeitige Alterung der Kontakte festgestellt werden, so dass diese erst nach einigen Wochen bzw. Monaten im Einsatz ausgefallen sind. Die eindeutige Zuordnung dieser Fehlerbilder zu den Ursachen ist gerade in diesen Fällen nur mit langwierigen und kostenintensiven Untersuchungen möglich.
In der Europäischen Patentschrift EP 0 710 991 Bl sind laminierte Gruppen von Solarzellenelementen beschrieben. Dort wird auch vorgeschlagen, die Solarzellenelemente mittels eines schrumpfbaren Isolierbandes auf der Rückseite miteinander zu verbinden. Während des Laminierprozesses schrumpft nun dieses Isolierband in der Länge und verkürzt somit den Abstand zwischen den einzelnen Solarzellen, so dass sich das Verbindungsteil leicht nach oben wölbt. Dieses Verfahren ist allerdings bei großflächigen Solarzelleneinheiten nicht anwendbar, da hier die erforderliche Schrumpfung über die Fläche nicht definiert genug erfolgt so dass das Ergebnis nicht - hinreichend reproduzierbar ist.
Es stellt sich die Aufgabe, einen Herstellungsprozess für Solarzelleneinheiten, wie sie als Solardach für Kraftfahrzeuge verwendet werden, darzustellen, mit dem eine Fertigung derart erfolgt, dass die Ausschussrate und gleichzeitig die Anzahl von Frühausfällen der fertigen Einheiten im Einsatz minimiert wird. Weiterhin stellt sich die Aufgabe ein entsprechendes Solardach sowie eine Vorrichtung zur Fertigung der Solardächer anzugeben.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den in den unabhängigen Ansprüchen angegebenen Mitteln gelöst. Vorteilhafte Weiterbildung in der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen weiteren Ansprüche.
Erfindungsgemäß wird durch zusätzliche Maßnahmen eine mechanische Entlastung der Anschlusselemente der Solarzellen erreicht. Diese Maßnahmen müssen vor Beginn der Beaufschlagung mit erhöhtem Druck durchgeführt werden, da nach der Druckbeaufschlagung die innere Reibung der Folien bzw. Solarzellen untereinander zu Undefinierten Ergebnissen bzw. zu großer mechanischer Beanspruchung führt. Vorteilhafterweise erfolgen diese Maßnahmen auch noch nach der Herstellung des Moduls.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung erfolgt eine mechanische Durchbiegung des Glasträgers vor bzw. während der Beaufschlagung mit erhöhtem Druck, wobei nach der Beaufschlagung mit erhöhtem Druck die Durchbiegung des Glasträgers wieder auf den ursprünglichen Wert zurückgenommen wird. Dieses Verfahren lässt sich in zwei Phasen untergliedern. In der ersten Phase legen die Schichten des Laminats drucklos aufeinander, so dass sie sich zumindest geringfügig gegeneinander verschieben können. Nun wird der Glasträger derart durchgebogen, dass sich die Auflagefläche der Solarzellen auf den Glasträger zumindest geringfügig vergrößert. Dadurch, dass die einzelnen Schichten noch lose aufeinander liegen, werden diese sich nun derart verschieben, dass sie weitestgehend spannungslos auf der Oberfläche des Glasträgers aufliegen. Nun beginnt die zweite Phase. Durch die Anwendung des zum la inieren notwendigen Druckes werden die Schichten derart aneinander gepresst, so dass sie sich gegenseitig kaum mehr bewegen können und unter Temperatureinwirkung verschmelzen sie. Wird nun die Durchbiegung des Glasträgers auf einen Wert, welcher seiner natürlichen Position entspricht zurückgenommen, so werden die einzelnen Solarzellen zusammengeschoben. Durch diese Verkürzung werden die Verbindungselemente wirkungsvoll gestaucht, so dass sie zukünftig auch zumindest geringfügige Streckungen ausgleichen können.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin dass ein Trennmedium zwischen den Folien verwendet wird. Dieses Trennmediums ist vorteilhafterweise vliesartig, beispielsweise ein Glasfasergewebe. Durch die Verwendung eines solchen Trennmediums wird ein Verrutschen der Schichten gegeneinander und somit auch eine unerwünschte Belastung der Anschlusselemente vermieden. Ein weiterer vorteilhafter Nebeneffekt ist, dass die schlierenartige Durchmischung der beiden unteren Schichten des Laminats vermieden wird, wodurch sich eine optisch ansprechendere Schicht ergibt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird das Trennmedium an der gefärbten Folie oder an den Zellen vor dem Zuschnitt angebracht und dann gemeinsam mit diesen weiterverarbeitet. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Abkühlvorgang der Solarzelleneinheit unter Einhaltung eines vorgegebenen Temperaturprofils erfolgt. Durch eine derartige gesteuerte Abkühlung können auch kontrollierte Bewegungen bzw. Verspannungen innerhalb des Laminats vermieden werden. Damit kann Frühausfällen des fertigen Produktes vorgebeugt werden.
Besonders bevorzugt erfolgt die Abkühlung am Ende des Laminiervorganges derart gesteuert, dass der
Temperaturunterschied zwischen verschiedenen Stellen der Solarzelleneinheit max. 5 Grad Celsius beträgt.
In einer weiten Ausgestaltung erfolgt der Abkühlvorgang in Stufen, wobei die maximale Temperaturdifferenz zwischen zwei aufeinanderfolgenden Stufen kleiner als 20 Grad Celsius ist.
In einer anderen Ausgestaltung erfolgt der Abkühlvorgang derart, dass die Temperaturänderung kleiner als 10 Grad Celsius pro Minute ist. Durch eine derartige Steuerung des Abkühlvorgangs haben sich in Versuchen optimale Ergebnisse in der Zuverlässigkeit der fertigen Baugruppen ergeben.
In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden Anschlusselemente verwendet, welche mechanisch verformbar sind. Diese Verformbarkeit umfasst Plastizität und Elastizität. Wesentliches ist hierbei, dass die Anschlusselemente in ihrer endgültigen Position gestaucht und gestreckt werden können. Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, sodass Anschlusselemente verwendet werden welche mindestens eine Sicke enthalten. Durch derartige Sicken kann eine Stauchbarkeit bzw. Streckbarkeit erreicht werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden Anschlusselemente verwendet, welche mindestens ein Federelement enthalten.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass mindestens ein federndes Element in die Anschlusselemente eingebracht wird. Dies kann beispielsweise eine Schraubenfeder sein.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung werden Sicken in die Anschlusselemente eingebracht. Dies kann durch einer zusätzlichen Fertigungsvorgang, beispielsweise mit einer Biegemaschine oder einer Stanze erreicht werden.
Weiterhin können Sicken bzw. Federelemente in die Anschlusselemente eingebracht werden, welche längs der Hauptbiegerichtung des Glasträgers verlaufen. Gerade in dieser Richtung ist die mechanische Beanspruchung der Anschluss Elemente am größten. Somit werden bevorzugt Ausgleichselemente in dieser Richtung eingebracht. Aus Gründen der Kostenersparnis kann auf Ausgleichselemente in anderen Richtungen verzichtet werden.
In einem erfindungsgemäßen Solardach weisen die Anschlusselemente der Solarzellen Mittel zur mechanischen Druckentlastung auf. Derartige Mittel sind in der vorangehenden Beschreibung dargestellt.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Fertigung von Solardächern weist Mittel zur mechanischen Entlastung der Anschlusselemente der Solarzellen vor Beginn bzw. während der Beaufschlagung mit erhöhtem Druck auf.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von Solarzelleneinheiten, wie sie als Solardach für Kraftfahrzeuge verwendet werden, durch Laminieren eines Schichtaufbaus mit in Kunststofflagen eingebetteten Solarzellen auf einem Glasträger unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente der Solarzellen vor Beginn bzw. während bzw. nach der
Beaufschlagung mit erhöhtem Druck mechanisch derart vorgeformt werden, dass sie nach bzw. während des Laminierens auftretende mechanische Spannungen aufnehmen können.
2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch mechanische Verbiegung des Glasträgers vor bzw. während der Beaufschlagung mit erhöhtem Druck mitsamt der zu laminierenden Schichten derart, dass der Glasträger nach dem Laminiervorgang aufgrund seiner eigenen Spannung in die Ausgangslage zurückkehrt und dabei die Solarzellen geringfügig zusammenschiebt .
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwendung eines Trennmediums zwischen den Kunststofffolien.
4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch anbringen des Trennmediums an einer Kunststofffolie bzw. den Solarzellen vor dem Zuschnitt .
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch gezieltes Abkühlen der
Solarzelleneinheit nach dem Laminiervorgang unter Einhaltung eines vorgegebenen Temperaturprofils.
6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch gezieltes Abkühlen der
Solarzelleneinheit nach dem Laminiervorgang wobei der maximale Temperaturunterschied zwischen verschiedenen Stellen der Solarzelleneinheit maximal 5 Grad C beträgt .
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch gezieltes Abkühlen der Solarzelleneinheit nach dem Laminiervorgang wobei der maximale Temperaturunterschied zwischen verschiedenen Stellen der Solarzelleneinheit maximal 5 Grad C beträgt .
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch gezieltes Abkühlen der Solarzelleneinheit nach dem Laminiervorgang in Stufen, wobei die maximale Temperaturdifferenz zwischen zwei Stufen kleiner als 20 Grad C ist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch gezieltes Abkühlen der
Solarzelleneinheit nach dem Laminiervorgang in Stufen, wobei die Temperaturänderung kleiner als 10 Grad C pro Minute ist.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwendung von Anschlusselementen, welche mechanisch verformbar ausgeführt sind.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwendung von Anschlusselementen, welche mindestens eine Sicke enthalten.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwendung von Anschlusselementen, welche mindestens ein Federelement enthalten.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einbringung eines federnden Elementes in die Anschlusselemente.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einbringung von Sicken in die Anschlusselemente .
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einbringung von Sicken bzw.
Federelementen in die Anschlusselemente, welche längs der Hauptbiegerichtung des Glasträgers verlaufen.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Verwendung von Anschlusselementen, welche ein elastisches Material wie beispielsweise Litze enthalten.
7. Solardach für Kraftfahrzeuge umfassend einen Schichtaufbau mit in Kunststofflagen eingebetteten Solarzellen auf einem Glasträger, welche durch Laminieren unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente der Solarzellen derart vorgeformt sind, dass sie nach bzw. während des Laminierens auftretende mechanische Spannungen aufnehmen können.
18. Vorrichtung zur Herstellung von Solardächern für Kraftfahrzeuge umfassend einen Schichtaufbau mit in Kunststofflagen eingebetteten Solarzellen auf einem Glasträger, welche durch Laminieren unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlusselemente der Solarzellen derart vorgeformt sind, dass sie nach bzw. während des Laminierens auftretende mechanische Spannungen aufnehmen können.
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