WO2012055808A2 - Solarmodul mit anschlusselement - Google Patents

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WO2012055808A2
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Christoph Degen
Robert Gass
Thomas Happ
Franz Karg
Lothar Lesmeister
Jan Boris Philipp
Mitja Rateiczak
Jaap Van Der Burgt
Andreas Schlarb
Bernhard Reul
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Saint-Gobain Glass France
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a solar module with connection element for electrical contacting.
  • the invention also relates to a method for producing such a solar module and the use of the connection element.
  • Solar cells contain semiconductor material in all cases. Solar cells that require carrier substrates to provide sufficient mechanical strength and that can be manufactured in a continuous process are referred to as thin film solar cells. Due to the physical properties and the technological manageability, thin film systems with amorphous, micromorphous or polycrystalline silicon, cadmium telluride (CdTe), gallium arsenide (GaAs) or copper indium (gallium) sulfur / selenium (CI (G) S) are particularly suitable for solar cells.
  • CdTe cadmium telluride
  • GaAs gallium arsenide
  • CI (G) S) copper indium (gallium) sulfur / selenium
  • Known carrier substrates for thin-film solar cells contain inorganic glass, polymers or metal alloys and can be designed as rigid plates or flexible films depending on layer thickness and material properties. Due to the widely available carrier substrates and a simple monolithic integration, large-area arrangements of thin-film solar cells can be produced inexpensively.
  • CI (G) S thin-film solar cells require a buffer layer between typically p-type CI (G) S absorber and typically n-type front electrode layer, which usually comprises n-doped zinc oxide (ZnO).
  • the buffer layer may cause electronic matching between the absorber material and the front electrode layer.
  • the buffer layer contains, for example, a cadmium-sulfur compound.
  • the object of the present invention is to provide an improved solar module with connection element, which allows a secure electrical contacting of the photovoltaic layer without weakening the substrate by a recess or opening in its mechanical stability.
  • connection element A method for producing a solar module with connection element and a use of the connection element are evident from further claims.
  • Thin-film solar cells differ in their layer arrangement in two configurations: In the so-called substrate configuration, the back electrode and the photovoltaically active absorber layer are deposited directly onto a substrate. The substrate is located on the side facing away from the light incident side of the thin-film solar cell. In the so-called superstrate configuration, the front electrode is deposited directly on a cover disk. The cover disk is located on the side of the thin-film solar cell facing the light incidence.
  • the solar module with connection element preferably comprises a solar module in substrate configuration.
  • the substrate has a back electrode layer on the front side and the back electrode layer is partially electrically conductively connected to a photovoltaically active absorber layer.
  • the photovoltaically active absorber layer comprises at least one p-type semiconductor layer and one n-type front electrode layer.
  • the Front electrode layer is transparent to radiation in the spectral range sensitive to the semiconductor layer.
  • the front electrode layer is arranged on the side of the photovoltaic active absorber layer facing away from the back electrode layer.
  • the photovoltaically active absorber layer particularly preferably comprises a p-conducting semiconductor layer, at least one buffer layer and an n-conducting front electrode layer.
  • the solar module with connection element according to the invention preferably comprises a solar module in superstrate configuration.
  • a cover plate is connected on its rear side via a front electrode layer to a photovoltaically active layer.
  • the front side of the substrate is connected to at least one intermediate layer with the back of the cover plate. Since, in the substrate configuration, the front side of the substrate has the back electrode layer and the photovoltaically active absorber layer over a large area, the connection between the substrate and the intermediate layer takes place over a large area over these layers. Since, in superstrate configuration, the rear side of the cover plate has the photovoltaically active absorber layer and the back electrode layer over a large area, the connection between substrate and intermediate layer takes place over a large area over these layers.
  • At least one foil conductor is electrically conductively connected to the back electrode layer and / or the front electrode layer.
  • the foil conductor is disposed around the side edge of the substrate and secured to the back side of the substrate.
  • the film conductor is arranged around the side edge of the cover disk and fastened on the front side of the cover disk. It is also possible to attach one of the foil conductors on the back side of the substrate and a second foil conductor on the front side of the cover plate.
  • the foil conductor is preferably arranged around the side edge of the substrate and fixed on the back side of the substrate.
  • the foil conductor has a connection point for electrical contacting.
  • On the back of the substrate or the front of the cover plate at least one connection housing is attached.
  • the connection housing has at least one electrical Line connection between a contact element and the connection point of the film conductor.
  • Cover plate and substrate are preferably made of prestressed, partially prestressed or non-prestressed glass, in particular float glass.
  • the cover plate contains hardened or non-hardened low-iron soda-lime glass with a high permeability to sunlight.
  • Cover plate and substrate preferably have thicknesses of 1, 5 mm to 10 mm.
  • the intermediate layers preferably contain thermoplastic materials, such as polyvinyl butyral (PVB) or ethylene vinyl acetate (EVA) or several layers thereof, preferably with thicknesses of 0.3 mm to 0.9 mm.
  • Substrate and cover plate are firmly bonded together by one or more intermediate layers under heat and pressure or under vacuum.
  • the film conductor sometimes called a flexible flat conductor or ribbon conductor, usually consists of a metallic strip such as a tinned copper strip with a thickness of 0.03 mm to 0.3 mm and a width of 2 mm to 16 mm. Copper has been proven for such traces, as it has a good electrical conductivity and good processability to films. At the same time, the material costs are low. Other electrically conductive materials can also be used which can be processed into films. Examples of these are aluminum, gold, silver or tin and alloys thereof.
  • the foil conductor is applied for electrical insulation and for stabilization on a carrier material made of plastic or laminated on both sides with this.
  • the insulating material typically includes a 0.025 mm to 0.1 mm thick film based on a polymer such as polyimide, polyester, polyethylene, silicone, polyacrylic, polyurethane, polyisobutylene, polytetrafluoroethylene, ethylene vinyl acetate, polyvinyl fluoride, polyethylene naphthalate, or combinations thereof. Other plastics or materials with the required insulating properties may also be used.
  • a foil conductor band may contain a plurality of electrically insulated, conductive layers.
  • one-sided insulated film conductors are arranged with their non-insulated side on an electrically insulating substrate such as substrate or cover disk.
  • Such film conductor with one or both sides plastic insulation are industrially easy to produce and inexpensive.
  • the foil conductors can already be prefabricated (prefabricated) and freed, for example, at the connection points of the plastic insulation. Prefabricated foil conductors can be easily and automatically processed.
  • a prefabricated foil conductor is used in the production of the solar module according to the invention, which brings procedural advantages (eg simple processability, safe and reliable isolation of the metallic strip) with it.
  • the film conductor can be provided on one or both sides with a plastic insulation.
  • prefabricated or "prefabricated” denotes the fact that the foil conductor already has a metallic band with an associated plastic insulation before it is attached to the solar module.
  • the plastic insulation is therefore not firmly connected, for example, only when laminating the solar module with the metallic strip.
  • a film conductor is used, in which a metallic strip is laminated on both sides in the plastic insulation.
  • the film conductor contains no adhesive layer for fixing the plastic insulation on the metallic strip.
  • laminate is meant the process of bonding the metallic strip to the plastic insulation by raising the temperature to melt the plastic insulation and then cooling it to solidify the plastic insulation and bond it to the metallic strip.
  • the metallic strip is preferably arranged in a "sandwich structure" between two layers of plastic insulation film.
  • a foil conductor in which a metallic strip is laminated between layers of plastic insulation, has the advantage of particularly high stability in long-term use of the solar module, since it can not be ruled out with an adhesive layer that the plastic insulation will detach from the metallic strip over time. This is particularly true for solar modules, which are often in use for several decades. It is also conceivable that a film conductor is used, in which the metallic strip is laminated on one side only with a plastic insulation. Metallic strips without plastic insulation must be covered with a plastic layer or the like for insulation and protection against corrosion. This requires an additional process step, which causes additional costs. For sufficient protection against corrosion, the plastic layer must project far beyond the film conductor or cover the complete side of the module. This results in significantly higher material costs than in the inventive solution.
  • the film conductor is electrically conductively connected to the back and / or front electrode layer.
  • the connection is preferably carried out by welding, bonding, soldering, clamping or gluing by means of an electrically conductive adhesive.
  • Foil conductors that are suitable for contacting back and / or front electrode layers in solar modules only have a total thickness of 0.5 mm at most. Such thin film conductors can be embedded without difficulty between the substrate and cover plate in the intermediate layer. This assumes that the plastic insulation of the film conductor is correspondingly thin.
  • the foil conductor has a connection point for making electrical contact on the rear side of the substrate or the front side of the cover disk. This is preferably a recess in the outer plastic insulation of the film conductor, so that the metallic inner conductor of the film conductor is freely accessible for contact elements.
  • the connection points can already be pre-tinned, which facilitates a subsequent electrical line connection, for example during a soldering process.
  • the film conductor is preferably glued to the substrate or the cover plate.
  • the adhesive seals the area between the foil conductor and the substrate or cover plate.
  • the adhesive protects the interior of the thin-film solar cell against moisture penetration.
  • the present invention also comprises at least one single-part or multi-part terminal housing with at least one electrical supply line and a contact element for forming an electrical line connection with the connection point of the foil conductor.
  • the connection housing is preferably made of an electrically insulating material.
  • Thermoplastic plastics and elastomers which are processed by injection molding, are suitable for industrial production of the connection housing.
  • thermoplastics and elastomers for example, polyamide, polyoxymethylene, polybutylene terephthalate or ethylene-propylene-diene rubber are used.
  • potting materials such as acrylate or epoxy resin systems can be used to make the connection housing.
  • the terminal housing can be made of metal or another electrically conductive material with electrically insulating inserts.
  • Contact elements or spring contact elements made of metal are preferably used as contact elements.
  • contact elements For the preferred use in a solar module is sufficient solder-free, clamping connection, since the contact point is usually exposed to vibration during use in buildings usually.
  • the electrical line connection between contact elements can also be welded, bonded, soldered, glued or additionally secured.
  • connection housing can serve as the basis for a connection plug or a connecting cable. In addition, it can accommodate other functional elements such as diodes or a control electrics.
  • the terminal housing is preferably fixed and sealed on the back of the substrate or the front of the cover plate by gluing.
  • the bonding is preferably carried out by means of a Kleerstrangs or adhesive tape with an adhesive based on acrylic, polyurethane or polyisobutylene. Bonding can hermetically seal the interior of the housing against gases, water or moisture. The electrical contact point inside the housing is thereby protected against corrosion.
  • connection point of the film conductor is arranged in a region of the peripheral edge surface of the substrate. In this way, a particularly flat design of the solar module can be achieved.
  • the foil conductor is electrically conductively connected to the back electrode layer.
  • the film conductor is connected via a bus bar to the back electrode layer and / or the front electrode layer.
  • the bus bar can be constructed like a foil conductor or the electrically conductive layer of a foil conductor.
  • electrically conductive materials can be used, which can be processed into films.
  • the bus bar preferably contains a metal, more preferably aluminum, copper, gold, silver or tin, and alloys thereof.
  • the bus bar preferably has a thickness of 0.03 mm to 0.3 mm and a width of 2 mm to 16 mm.
  • the bus bar usually extends along the long side of a rectangular solar module in plan view.
  • the electrically conductive connection between the foil conductor and the bus bar is preferably located in the middle of the extension direction of the bus bar. Since the bus bar itself has an ohmic resistance, a voltage drop takes place during a current flow through the bus bar. With an electrical contact in the middle of the extension direction of the bus bar, a more homogeneous distribution of the current flow through the solar module and the bus bar is achieved than with an electrical contact at one end of the bus bar. In addition, the maximum current density in the bus bar in the region of the current tapping is lower than in the case of contacting at one end. This allows the use of bus bars with a smaller cross-sectional area, for example, with a smaller width. By using narrower busbars, the photovoltaically active area of the solar module can be increased and the area-dependent power increased.
  • the back electrode layer contains a metal, preferably molybdenum, titanium or tantalum nitrides.
  • the back electrode layer may comprise a layer stack of different individual layers.
  • the layer stack preferably contains a diffusion barrier of silicon nitride in order to prevent a diffusion of, for example, sodium from the substrate into the photovoltaically active absorber layer.
  • the front electrode layer contains an n-type semiconductor, preferably aluminum-doped zinc oxide or indium-tin oxide.
  • the p-type semiconductor layer of the photovoltaically active absorber layer contains amorphous, micromorphous or polycrystalline silicon, cadmium telluride (CdTe), gallium arsenide (GaAs) or copper indium (gallium) sulfur / selenium (CI (G) S).
  • the substrate has a cutback with respect to the cover disk or is offset in comparison to the cover disk.
  • the cutback ie the distance between the side edges of the substrate and cover disk, is preferably from 0.1 mm to 20 mm, particularly preferably from 1 mm to 5 mm.
  • the pruning may extend across the width of the peripheral side edge of the substrate or only to a region around the exit of the film conductor. The film conductor runs around the side edge of the substrate in the region of the cutback without any protrusion. It does not stand out and is largely protected against damage during transport and installation.
  • the gap between substrate and cover plate is sealed by an edge seal, preferably by an adhesive based on acrylic, polyurethane or polyisobutylene.
  • the edge seal prevents the ingress of air, water or moisture and protects the sensitive semiconductor and metal layers from corrosion.
  • the edge seal is arranged on one side of the foil conductor.
  • the film conductor outside the composite of substrate, intermediate layer and cover plate on a protective layer, preferably a protective layer based on a polymer such as polyimide, polyester, polyethylene, silicone, polyacrylic, polyurethane, polyisobutylene, polytetrafluoroethylene, ethylene vinyl acetate , Polyvinyl fluoride, or polyethylene naphthalate or combinations thereof.
  • the protective layer particularly preferably contains a layer sequence of polyvinyl fluoride / polyester / polyvinyl fluoride and is bonded to the surface of the substrate via an ethylene-vinyl acetate layer.
  • the protective layer preferably has a thickness of 0.1 mm to 1 mm and a width of 3 mm to 50 mm.
  • the protective layer protects the film conductor from mechanical damage.
  • the protective layer increases the dielectric strength to live layers and reduces leakage currents.
  • the protective layer preferably spans the exit point of the foil conductor between the substrate and the cover plate and is firmly connected to the substrate and the cover plate for this purpose, for example.
  • the protective layer is different from the plastic insulation of the foil conductor.
  • the protective layer is different from the thermoplastic intermediate layer for bonding substrate and cover plate.
  • the protective layer protection against the ingress of air, water, moisture in the region of the exit point of the film conductor can be achieved by the protective layer.
  • the substrate has a cutback with respect to the cover disk, it may furthermore be advantageous if the protective layer is connected to the cover disk in the area of the cover projecting from the substrate so that the protective layer does not protrude beyond the side edge of the cover disk.
  • the interior of the connection housing is sealed by a sealing agent, preferably by an adhesive based on acrylic, polyurethane or polyisobutylene.
  • the sealant prevents the ingress of air, water or moisture into the interior of the connection housing and protects the electrical line connection between the film conductor and the contact element against corrosion.
  • a protective element may be attached to the connection housing, which protects the film conductor from mechanical damage.
  • the protective element may for example contain a plastic.
  • the protective element may preferably be arranged in the region of the side edge of the substrate.
  • the protective element preferably does not protrude beyond the side edge of the cover disk.
  • the gap between the protective element and the substrate or cover plate preferably has a sealing material, for example an adhesive on acrylic, polyurethane, Polyisobutylene or silicone base.
  • the sealing material increases the dielectric strength to voltage-carrying layers, such as the electrically conductive layer of the foil conductor. At the same creepage currents, for example, by penetrating moisture, lowered.
  • the electrical line connections between the foil conductor and the back and / or front electrode layer, between the bus bar and the back and / or front electrode layer, between the foil conductor and the bus bar and / or between the foil conductor and the contact element have soldering, welding, bonding or clamp connections.
  • the electrical line connections can also have adhesive connections with an electrically conductive adhesive.
  • the solar module on two film conductors and two terminal housing.
  • a film conductor is preferably connected to the positive voltage terminal of the solar module and the second film conductor to the negative voltage terminal of the solar module.
  • At least two film conductors on the back of the substrate or the front of the cover plate in a connection housing with at least two contact elements are electrically connected. Both contact elements may be connected, for example via a two-pole cable or a two-pin plug with another electrical circuit.
  • the invention also includes a method for producing a solar module with connection element according to the invention.
  • the method comprises at least the following steps: In a first step, a back electrode layer is applied to the front side of a substrate. Thereafter, at least one semiconductor layer, subsequently a buffer layer and subsequently a front electrode layer are applied to the back electrode layer.
  • the semiconductor layer, the buffer layer and the front electrode layer form the photovoltaically active absorber layer.
  • the back electrode layer and the photovoltaically active absorber layer are electrically conductively connected to one another.
  • the back electrode layer, the semiconductor layer, the buffer layer and the Front electrode layer are structured and interconnected with known methods for producing an integrated serial interconnection of individual solar cells to form a solar module.
  • a preferably prefabricated or prefabricated foil conductor is electrically conductively connected to the rear and / or the front electrode layer.
  • the electrically conductive connection is effected for example by welding, bonding, soldering, clamping or gluing with an electrically conductive adhesive.
  • the substrate and the cover plate are joined together with an intermediate layer under the action of heat, vacuum and / or pressure.
  • the foil conductor is wrapped around the side edge of the substrate and fixed to the back of the substrate, for example by gluing or clamping.
  • a connection housing with at least one contact element on the back of the substrate is fixed, for example by gluing or clamping, and the contact element electrically connected to the connection point of the film conductor.
  • the invention also includes a method for producing a solar module with connection element according to the invention in superstrate configuration.
  • the method comprises at least the following steps: In a first step, a front electrode layer is applied to the back of a cover disk. Thereafter, at least one buffer layer, subsequently a semiconductor layer and subsequently a back electrode layer are applied to the front electrode layer.
  • the semiconductor layer, the buffer layer and the front electrode layer form the photovoltaically active absorber layer.
  • the back electrode layer and the photovoltaically active absorber layer are electrically conductively connected to one another.
  • the back electrode layer, the semiconductor layer, the buffer layer and the front electrode layer are structured and interconnected with a known method for producing an integrated serial interconnection of individual solar cells to form a solar module.
  • a preferably prefabricated or prefabricated foil conductor is electrically conductively connected to the rear and / or the front electrode layer.
  • the electrically conductive connection is effected for example by welding, bonding, soldering, clamping or gluing with an electrically conductive adhesive.
  • the substrate and the cover plate are joined together with an intermediate layer under the action of heat, vacuum and / or pressure.
  • the foil conductor is wrapped around the side edge of the substrate and on the back side of the substrate attached, for example by gluing or clamping.
  • a terminal housing is attached to at least one contact element on the back of the substrate, for example by gluing or clamping, and the contact element electrically connected to the junction of the film conductor.
  • the preferably prefabricated or prefabricated foil conductor is placed in the fourth step around the side edge of the cover plate and fastened on the front side of the cover plate. Subsequently, the connection housing is fastened to the front side of the cover disk.
  • the methods familiar to the person skilled in the art can be used with and without prior preparation of a precompound.
  • so-called autoclave methods can be carried out at an elevated pressure of about 10 bar to 15 bar and temperatures of 130 ° C. to 145 ° C. for about 2 hours.
  • vacuum bag or vacuum ring methods known per se operate at about 200 mbar and 130 ° C. to 145 ° C.
  • cover disk and substrate can be pressed with an intermediate layer in a calender between at least one pair of rollers to a solar module according to the invention.
  • Systems of this type are known for the production of laminated glazing and usually have at least one heating tunnel in front of a press shop. The temperature during the pressing process is for example from 40 to 150 ° C. Combinations of calender and autoclave processes have proven particularly useful in practice.
  • vacuum laminators are used to produce the solar modules according to the invention. These consist of one or more heatable and evacuable chambers, in which cover plate and substrate can be laminated within for example about 60 minutes at reduced pressures of 0.01 mbar to 800 mbar and temperatures of 80 ° C to 170 ° C.
  • a bus bar with the back and / or front electrode layer electrically connected for example, by welding, bonding, soldering, clamping or gluing with an electrically conductive adhesive.
  • the foil conductor is electrically conductively connected to the bus bar.
  • the film conductor is then electrically conductively connected via the bus bar to the rear and / or front electrode layer.
  • the invention also includes the use of the connection element for electrically contacting a solar module, in particular a thin-film solar module.
  • FIG. 1 shows a cross-sectional drawing of a solar module according to the invention with two series-connected solar cells in substrate configuration
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a solar module according to the invention in a view onto the rear side of the substrate
  • FIG. 2A shows a cross-sectional drawing along the line A-A 'from FIG. 2,
  • FIG. 2B shows a cross-sectional drawing along the line B-B 'of FIG. 2,
  • Figure 3 is a schematic representation of a further embodiment of the
  • FIG. 3A is a cross-sectional drawing taken along the line C-C of FIG. 3;
  • Figure 3B is a cross-sectional view taken along the line C-C of Figure 3 another
  • Figure 3C is a cross-sectional drawing of a development of the invention
  • Figure 4 is a schematic representation of another embodiment of the
  • FIG. 4 shows a solar module according to the invention in a view onto the rear side of the substrate,
  • FIG. 4A shows a cross-sectional drawing along the line D-D 'from FIG. 4,
  • FIG. 4B shows a cross-sectional drawing of a development of the solar module according to the invention in substrate configuration
  • FIG. 4C shows a cross-sectional drawing of a development of the solar module according to the invention in superstrate configuration
  • FIG. 5 shows a cross-sectional drawing of a development of the solar module according to the invention in substrate configuration
  • FIG. 6 shows a cross-sectional drawing of a development of the solar module according to the invention in superstrate configuration
  • FIG. 7 shows a schematic representation of a further embodiment of the invention
  • Figure 7A is a cross-sectional view taken along the line E-E 'of Figure 7 a
  • Figure 7B is a cross-sectional drawing taken along the line E-E 'of Figure 7 a
  • FIG. 8A an exemplary embodiment of the method steps according to the invention with reference to a flow chart
  • FIG. 8B shows a further exemplary embodiment of the method steps according to the invention with reference to a flow chart
  • FIG. 8C shows a further exemplary embodiment of the method steps according to the invention with reference to a flow chart
  • FIG. 8D shows a further exemplary embodiment of the method steps according to the invention with reference to a flowchart
  • FIG 9 shows a solar module according to the prior art in a view of the back of the substrate.
  • connection element is shown using the example of a thin-film solar module (20).
  • FIG. 1 shows two solar cells (20.1) and (20.2) of a thin-film solar module (20) in substrate configuration.
  • the thin-film solar module (20) comprises an electrically insulating substrate (1) with a layer structure applied thereto to form a photovoltaically active absorber layer (4).
  • the layer structure is arranged on the light entrance side front side (III) of the substrate (1).
  • the substrate (1) consists here for example of glass with a relatively low light transmission, while equally other insulating materials with sufficient strength, as well inert behavior compared to the process steps performed can be used.
  • the layer structure comprises a rear electrode layer (3) arranged on the front side (III) of the substrate (1).
  • the back electrode layer (3) contains, for example, a layer of an opaque metal such as molybdenum and is applied to the substrate (1), for example, by sputtering.
  • the back electrode layer (3) has, for example, a layer thickness of about 1 ⁇ m.
  • the back electrode layer (3) comprises a layer stack of different individual layers.
  • the layer stack preferably contains a diffusion barrier in order to prevent a diffusion of, for example, sodium from the substrate (1) into the photovoltaically active absorber layer (4).
  • a photovoltaically active absorber layer (4) is deposited, whose band gap is preferably able to absorb as large a proportion of the sunlight as possible.
  • the photovoltaically active absorber layer (4) contains a p-doped semiconductor layer (23), for example a p-type chalcopyrite semiconductor, such as a compound of the group copper-indium-di-selenide (CulnSe 2 ), in particular sodium (Na) -doped Cu ( InGa) (SSe) 2 .
  • the semiconductor layer (23) has, for example, a layer thickness of 500 nm to 5 ⁇ m and in particular of about 2 ⁇ m.
  • a buffer layer (21) is deposited, which here, for example, a single layer of cadmium sulfide (CdS) and a single layer of intrinsic zinc oxide (i-ZnO) contains.
  • a front electrode layer (22) is applied, for example by vapor deposition.
  • the front electrode layer (22) is transparent to radiation in the spectral range which is sensitive to the semiconductor layer (23) ("window layer"), in order to ensure only slight attenuation of the incident sunlight.
  • the layer thickness of the front electrode layer (22) is for example 300 nm.
  • the layer system is subdivided by known methods for producing a thin-film solar module into individual photovoltaically active regions, so-called solar cells (20.1) and (20.2). The division is made by cuts (24.1), (24.2) and (24.3) using a suitable structuring technology such as laser writing and mechanical processing, for example by lifting or scribing.
  • the individual solar cells (20.1) and (20.2) are connected in series via a region (25) of the back electrode layer (3).
  • An inventive thin-film solar module (20) has, for example, 100 series-connected solar cells and an open-circuit voltage of 56 volts.
  • both the resulting positive (+) and the resulting negative (-) voltage connection of the thin-film solar module (20) are guided over the back electrode layer (3) and electrically contacted there.
  • an intermediate layer (5) is applied on the front electrode layer (22), which contains, for example, polyvinyl butyral (PVB) or ethylene vinyl acetate (EVA).
  • the thickness of the intermediate layer (5) is for example 0.76 mm.
  • the layer structure of substrate (1), back electrode layer (3) and photovoltaically active absorber layer (4) is sealed via the intermediate layer (5) with a cover disk (2).
  • the cover plate (2) is transparent to sunlight and contains, for example, hardened, extra-white glass with low iron content.
  • the cover plate (2) has, for example, an area of 1.6 m ⁇ 0.7 m.
  • the entire thin film solar module (20) is mounted for mounting in the place of use in an aluminum hollow chamber frame, which is not shown here.
  • FIG. 2A shows a sectional view along the line AA from FIG. 2 and FIG. 2B shows a sectional view along the line BB from FIG. 2.
  • the region without back electrode layer (3) preferably has a width of 10 mm to 20 mm, for example 15 mm with respect to the outer side edge (12) of the substrate (1).
  • the back electrode layer (3) is usually deposited on the entire substrate (1). The stripping of the edge area takes place then in a second step, for example by means of laser ablation, plasma etching or mechanical methods. Alternatively, masking techniques may be used.
  • a circumferential edge region of the back electrode layer (3) with a width of, for example, 15 mm is not coated with the photovoltaically active absorber layer (4).
  • the back electrode layer (3) can be electrically conductively connected to the electrically conductive layer (6.1) of a film conductor (6).
  • the electrical line connection (15) takes place, for example, by welding, bonding, soldering or gluing with an electrically conductive adhesive.
  • the electrically conductive layer (6.1) of the film conductor (6) contains, for example, an aluminum strip (6.1) with a thickness of, for example, 0.1 mm and a width of, for example, 20 mm.
  • the electrical line connection (15) takes place in an aluminum strip, preferably by ultrasonic bonding.
  • the electrically conductive layer (6.1) of the film conductor (6) is, for example, on one side, in particular on both sides, covered with an electrically insulating film (6.2) made of, for example, polyimide.
  • the film conductor (6) is already prefabricated, that is, the electrically insulating film (6.2) is already firmly connected to the electrically conductive layer (6.1) before attaching the film conductor (6) to the solar module (20).
  • the electrically conductive layer (6.1) is laminated on both sides with an electrically insulating film (6.2) on one side or with two electrically insulating films (6.2).
  • the electrically insulating film (6.2) is arranged on the outer side of the electrically conductive layer (6.1) of the film conductor (6), that is on the side facing away from the substrate (1) of the electrically conductive layer (6.1).
  • the electrically insulating film (6.2) for example, has a thickness of 0.02 mm and a width of 25 mm.
  • the film conductor (6) is preferably additionally glued to the surface of the substrate (1).
  • the electrically conductive layer (6.1) of the foil conductor (6) contains a tinned copper strip.
  • the electrically conductive layer (6.1) of the film conductor (6) is covered on both sides with an electrically insulating film (6.2).
  • the foil conductor (6) has a connection point (7) for electrical contacting.
  • the electrically insulating film (6.2) is removed and the electrically conductive layer (6.1) freely accessible.
  • the connection point (7) on the back (IV) of the substrate (1) at a distance of about 20 mm from the side edge (12).
  • the connection point (7) can be arranged at any point on the rear side (IV) of the substrate (1) or on its side edge (12).
  • the substrate (1) is cut back or set back by a distance R of, for example, 5 mm in comparison with the cover disk (2).
  • the foil conductor (6) runs in the space thus created.
  • the film conductor (6) does not protrude beyond the cover disk (2) at its exit point from the composite of substrate (1) and cover disk (2) and is protected against external mechanical stresses.
  • a film conductor (6) with an electrically conductive layer (6.1) made of aluminum it is expedient to tin the electrically conductive layer (6.1) in the region of the connection point (7).
  • the spring contact element (9) is connected, for example, with blocking diodes or an external control electrics.
  • the spring contact element (9) allows easy and fast contacting without additional steps such as soldering or gluing.
  • the positive and negative voltage terminals of the thin-film solar module (20) are electrically contacted via two film conductors (6) and (6 '), two connection housings (8) and (8').
  • the terminal housing (8) and (8 ') are designed with their spring contact elements (9) and (9') such that they can be easily, quickly and automatically assembled.
  • the connection housing (8) is adhesively bonded, for example, to the substrate (1).
  • connection housing (8) with the substrate (1) can be done for example with an acrylate adhesive or a polyurethane adhesive.
  • these adhesives perform a sealing function and protect the electrical line connection (10) between the film conductor (6) and contact element (9) from moisture and corrosion.
  • a required electrical protection class of the electrical connection can be achieved. This is necessary, for example, for outdoor use.
  • the interior of the connection housing is at least partially filled with a sealant (18), for example with polyisobutylene.
  • the electrically insulating sealant (18) increases the electrical breakdown strength and reduces moisture penetration and consequent leakage currents.
  • the electrically conductive layer (6.1) of the film conductor (6) need not be metallic bright at the connection point (7), but may be coated with a protective layer of a paint or a plastic film.
  • This protective layer protects the metallic contact surface from oxidation and corrosion during the manufacturing process.
  • the protective layer can be penetrated with an object for contacting, for example with a contact pin or a contact needle.
  • the protective layer may consist of a glued and peelable plastic film.
  • the plastic film can already be applied during the production of the film conductor (6) and then removed during assembly before the actual electrical contact with the contact element (9).
  • the connection point (7) of the foil conductor (6) can be pre-tinned, for example.
  • the gap between substrate (1) and cover disk (2) is circumferentially sealed with an edge seal (14) as a vapor diffusion barrier, preferably with a plastic material, such as polyisobutylene.
  • edge seal (14) as a vapor diffusion barrier, preferably with a plastic material, such as polyisobutylene.
  • FIG. 3 shows a further embodiment of the thin-film solar module (20) according to the invention in a view onto the rear side (IV) of the substrate (1).
  • FIG 3A shows a cross-sectional drawing along the line CC of Figure 3.
  • a bus bar (1 1) is connected via an electrical line connection (19) with the back electrode layer (3).
  • the bus bar (1 1) contains, for example, an aluminum strip with a width of 3 mm to 5 mm and a thickness of 0.1 mm to 0.2 mm.
  • the bus bar (11) is arranged along its extension direction along the long side of the thin film solar module (20).
  • the electrical line connection (19) between the bus bar (1 1) and the Back electrode layer (3) takes place at busbars (1 1) made of aluminum, preferably by ultrasonic bonding.
  • the electrically conductive layer (6.1) of the film conductor (6) is connected via an electrical line connection (16) with the bus bar ().
  • the film conductor (6) is guided out of the composite of substrate (1), intermediate layer (5) and cover disk (2) and around the edge (12) of the substrate (1).
  • the electrically conductive layer (6.1) of the film conductor (6) contains, for example, an aluminum strip with a width of 20 mm and a thickness of 0, 1 mm.
  • the electrically insulating film (6.2) of the film conductor (6) contains, for example, a plastic film of polyimide with a width of 25 mm and a thickness of 0.02 mm.
  • the foil conductor (6) has a protective layer (17) different from the plastic foil of the foil conductor (6) and the thermoplastic intermediate layer (5), for example a layer sequence of polyvinyl fluoride / polyester / polyvinyl fluoride with a total thickness of 0, 5 mm.
  • the layer sequence is glued, for example, over a layer of ethylene vinyl acetate with the surface of the substrate (1).
  • the protective layer (17) permanently protects the film conductor from mechanical damage.
  • the protective layer (17) protects the marginal gap between substrate (1) and cover plate (2) at the exit point of the film conductor (6) in addition to penetrating moisture.
  • the protective layer (17) spans for this purpose the exit point of the film conductor (6) between the substrate
  • the protective layer (17) extends into the connection housing (8) and is connected thereto, in particular in the region of the connection point (7) of the foil conductor (6).
  • the invention is in no way limited to the contacting of the back electrode layer (3).
  • the resulting positive and the resulting negative voltage connection of the thin-film solar module are guided over the front electrode layer (22) and contacted there electrically.
  • a voltage connection via the back electrode layer (3) and the second voltage connection via the front electrode layer (22) take place.
  • FIG. 3B shows a cross-sectional drawing along the line CC from FIG. 3 of a further embodiment of the thin-film solar module (20) according to the invention.
  • One Busbar (1 1) is connected via an electrical line connection (27) with the front electrode layer (22).
  • the electrically conductive layer (6.1) of the film conductor (6) is connected via an electrical line connection (16) with the bus bar (11).
  • the film conductor (6) is guided out of the composite of substrate (1), intermediate layer (5) and cover disk (2) and around the edge (12) of the substrate (1).
  • the electrically insulating film (6.2) of the film conductor (6) is preferably glued to the cover plate (2). The bond prevents the penetration of moisture into the interior of the thin-film solar module (20) and thus the corrosion of the photovoltaically active absorber layer (4).
  • FIG. 3C shows a further embodiment of the thin-film solar module (20) from FIG. 3, in which again the foil conductor (6) consists of the composite of substrate (1), intermediate layer (5) and cover disk (2) and around the edge (12) of the substrate Substrate (1) is guided around.
  • the gap between the substrate (1) and cover plate (2) is circumferentially sealed with an edge seal (14) as a vapor diffusion barrier, which is located on both sides of the film conductor (6).
  • the hermetic sealing of the marginal gap for the protection of the corrosion-sensitive photovoltaically active absorber layer (4) from atmospheric oxygen and moisture can thus be further improved.
  • FIG. 4 shows a further embodiment of the thin-film solar module (20) according to the invention in a view onto the rear side (IV) of the substrate (1).
  • the connection housing (8) and (8 ') each have an additional protective element (28).
  • FIG. 4A shows a cross-sectional drawing along the line DD from FIG. 4.
  • the additional protective element (28) is arranged in the region of the exit point of the foil conductor (6) from the composite of substrate (1), intermediate layer (5) and cover plate (2).
  • the protective element (28) can be made of the same material as the connection housing (8), for example made of a plastic, and can already be integrated during the production of the connection housing (8).
  • the protective element (28) may be an additional component connected to the terminal housing (8).
  • the protective element (28) does not protrude beyond the side edge (13) of the cover plate (2).
  • the protective element may additionally be glued to the side edge (12) of the substrate (1) and the back (II) of the cover plate (2).
  • the cavity (29) between Protective element (28) and substrate (1) are preferably filled with a sealant, for example polyisobutylene, for moisture isolation.
  • FIG. 4B shows a cross-sectional drawing of a solar module (20) according to the invention in a simplified representation.
  • the photovoltaically active absorber layer (4) is connected in substrate configuration via the back electrode layer (4) to the substrate (1).
  • the foil conductors (6) and (6 ') are arranged around the side edges (12) and (12') of the substrate (1).
  • Two terminal housings (8) and (8 ') are arranged on the rear side (IV) of the substrate (1).
  • Each terminal housing (8) and (8 ') has an electrical line connection, not shown here, between the respective foil conductor (6) and (6') and a contact element.
  • Each terminal housing (8) and (8 ') has a protective element (28), which the film conductors (6) and (6') at its exit point from the composite of substrate (1), intermediate layer (5) and cover plate (2) protects.
  • FIG. 4C shows a cross-sectional drawing of a solar module (20) according to the invention in a simplified representation.
  • the photovoltaically active absorber layer (4) is connected in superstrate configuration with the cover plate (2).
  • the foil conductors (6) and (6 ') are arranged around the side edges (12) and (12') of the substrate (1).
  • Two terminal housings (8) and (8 ') are arranged on the rear side (IV) of the substrate (1).
  • Each terminal housing (8) and (8 ') has a protective element (28), which the film conductors (6) and (6') at its exit point from the composite of substrate (1), intermediate layer (5) and cover plate (2) protects.
  • FIG. 5 shows a cross-sectional drawing of a solar module (20) according to the invention in a simplified representation.
  • the photovoltaically active absorber layer (4) is connected in substrate configuration via the back electrode layer (4) to the substrate (1).
  • the foil conductors (6) and (6 ') are arranged around the side edges (13) and (13') of the cover plate (2).
  • Two terminal housing (8) and (8 ') are arranged on the front side (I) of the cover plate (2).
  • FIG. 6 shows a cross-sectional drawing of a solar module (20) according to the invention in a simplified representation.
  • the photovoltaically active absorber layer (4) is connected in superstrate configuration with the cover plate (2).
  • the foil conductors (6) and (6 ') are arranged around the side edges (13) and (13') of the cover plate (2).
  • the Film conductors (6) and (6 ') are arranged around the side edges (13) and (13') of the cover disk (2).
  • Two terminal housing (8) and (8 ') are arranged on the front side (I) of the cover plate (2).
  • FIG. 7 shows a further embodiment of the thin-film solar module (20) according to the invention, wherein the two film conductors (6) and (6 ') on the rear side (IV) of the substrate (1) are brought together in a common connection housing (8).
  • the terminal housing (8) is arranged in the middle of the rear side (IV) of the substrate (1) in this example.
  • the terminal housing (8) can be arranged at any point on the rear side (IV) of the substrate (1) or on the side edge (12) of the substrate (1).
  • the positive and negative voltage terminals of the solar module (20) via two film conductors (6) and (6 ') and a terminal housing (8) are electrically contacted.
  • FIG. 7A shows a cross-sectional drawing of a solar module (20) according to the invention in a simplified representation.
  • the photovoltaically active absorber layer (4) is connected in substrate configuration via the back electrode layer (3) to the substrate (1).
  • the foil conductors (6) and (6 ') are arranged around the side edges (12) and (12') of the substrate (1).
  • the terminal housing (8) is arranged on the rear side (IV) of the substrate (1).
  • the connection housing (8) has two electrical line connections (not shown here) between the respective foil conductor (6) and (6 ') and one contact element each.
  • FIG. 7B shows a cross-sectional drawing of a solar module (20) according to the invention in a simplified representation.
  • the photovoltaically active absorber layer (4) is connected in superstrate configuration with the cover plate (2).
  • the foil conductors (6) and (6 ') are arranged around the side edges (12) and (12') of the substrate (1).
  • the terminal housing (8) is arranged on the rear side (IV) of the substrate (1).
  • the connection housing (8) has two electrical line connections (not shown here) between the respective foil conductor (6) and (6 ') and one contact element each.
  • FIG. 8A shows a flowchart of the method steps according to the invention for producing a thin-film solar module (20) with a substrate configuration and arrangement of the connection housing (8) on the rear side (IV) of the substrate (1).
  • FIG. 8B shows a flow chart of the method steps according to the invention for producing a thin-film solar module (20) with substrate configuration and arrangement of the connection housing (8) on the front side (I) of the cover disk (2).
  • FIG. 8C shows a flow chart of the method steps according to the invention for producing a thin-film solar module (20) with superstrate configuration and arrangement of the connection housing (8) on the rear side (IV) of the substrate (1).
  • FIG. 8D shows a flow chart of the method steps according to the invention for producing a thin-film solar module (20) with superstrate configuration and arrangement of the connection housing (8) on the front side (I) of the cover disk (2).
  • FIG. 9 shows a thin-layer solar module (20) according to the prior art in a view of the rear side (IV) of the substrate (1).
  • the substrate (1) has two hole-shaped recesses (26) and (26 '), which are arranged above the bus bars (1 1) and (11'). Through the hole-shaped recesses (26) and (26 '), the bus bars (11) and (11') are electrically contacted, for example, by a contact element, not shown here.
  • the hole-shaped recesses (26) and (26 ') weaken the mechanical stability of the substrate (1).
  • the thin-film solar module (20) according to the invention has several advantages compared to prior art thin-film solar modules. For example, when introducing the hole-shaped recesses (26) and (26 ') into glass substrates (1) of the prior art thin-film solar modules 3% of the substrates (1) cracks or spalling, so that these substrates (1) must be discarded. In the case of thin-film solar modules (20) according to the invention, this process step is omitted.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Solarmodul mit Anschlusselement, umfassend: a) übereinander angeordnet ein Substrat (1), eine Rückelektrodenschicht (3), eine photovoltaisch aktive Absorberschicht (4) und eine Deckscheibe (2), wobei die photovoltaisch aktive Absorberschicht (4) mit der Rückelektrodenschicht (3) teilweise elektrisch leitend verbunden ist und auf der zur Rückelektrodenschicht (3) abgewandten Seite eine Frontelektrodenschicht (22) aufweist und das Substrat (1) auf der Vorderseite (III) mit mindestens einer Zwischenschicht (5) flächenmäßig mit der Rückseite (II) der Deckscheibe (2) verbunden ist, b) mindestens einen vorgefertigten Folienleiter (6), der mindestens eine elektrisch leitfähige Schicht (6.1) und eine elektrisch isolierende Folie (6.2) umfasst undder mit der Rückelektrodenschicht (3) und/oder Frontelektrodenschicht (22) elektrisch leitend verbunden ist und eine Anschlussstelle (7) zur elektrischen Kontaktierung aufweist und c) mindestens ein Anschlussgehäuse (8), dasmindestens eine elektrische Leitungsverbindung (10) zwischen einem Kontaktelement (9) und der Anschlussstelle (7) des Folienleiters aufweist, wobei der Folienleiter (6) um den Seitenrand (12) des Substrats (1) herum angeordnet ist und der Folienleiter (6) und das Anschlussgehäuse (8) auf der Rückseite (IV) des Substrats (1) befestigt sind, oder der Folienleiter (6) um den Seitenrand (13) der Deckscheibe (2) herum angeordnet ist und der Folienleiter (6) und das Anschlussgehäuse (8) auf der Vorderseite (I) der Deckscheibe (2) befestigt sind.

Description

Solarmodul mit Anschlusselement
Die Erfindung betrifft ein Solarmodul mit Anschlusselement zur elektrischen Kontaktierung. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines derartigen Solarmoduls sowie die Verwendung des Anschlusselements.
Solarzellen enthalten in allen Fällen Halbleitermaterial. Solarzellen, die zur Bereitstellung einer ausreichenden mechanischen Festigkeit Trägersubstrate benötigen und in einem kontinuierlichen Prozess gefertigt werden können, werden als Dünnschichtsolarzellen bezeichnet. Aufgrund der physikalischen Eigenschaften und der technologischen Handhabbarkeit sind Dünnschichtsysteme mit amorphem, mikromorphem oder polykristallinem Silizium, Cadmium-Tellurid (CdTe), Gallium- Arsenid (GaAs) oder Kupfer-lndium(Gallium)-Schwefel/Selen (CI(G)S) besonders für Solarzellen geeignet.
Bekannte Trägersubstrate für Dünnschichtsolarzellen enthalten anorganisches Glas, Polymere oder Metalllegierungen und können in Abhängigkeit von Schichtdicke und Materialeigenschaften als starre Platten oder biegsame Folien ausgestaltet sein. Aufgrund der weitreichend verfügbaren Trägersubstrate und einer einfachen monolithischen Integration können großflächige Anordnungen von Dünnschichtsolarzellen kostengünstig hergestellt werden.
Auf Kupfer-lndium(Gallium)-Schwefel/Selen (CI(G)S) basierende
Dünnschichtsolarzellen zeigen elektrische Wirkungsgrade, die annährend mit multikristallinen Silizium-Solarzellen vergleichbar sind. CI(G)S-Dünnschichtsolarzellen benötigen eine Pufferschicht zwischen typisch p-leitendem CI(G)S-Absorber und typisch n-leitender Frontelektrodenschicht, die üblicherweise n-dotiertes Zinkoxid (ZnO) umfasst. Die Pufferschicht kann eine elektronische Anpassung zwischen Absorbermaterial und Frontelektrodenschicht bewirken. Die Pufferschicht enthält beispielsweise eine Cadmium-Schwefel-Verbindung.
Aus EP 2 200 097 A1 ist ein Verfahren bekannt, bei dem durch eine geeignete Strukturierung und Verschaltung von Rückelektrodenschicht, Absorbermaterial, Pufferschicht und Frontelektrodenschicht mehrere Solarzellenbereiche in integrierter Form seriell verbunden werden. Außerdem werden die positiven und negativen Spannungsanschlüsse des Solarzellenverbunds über die Rückelektrodenschicht an den äußeren Rand des Solarmoduls geführt und dort mittels Sammelleiter kontaktiert.
Aus DE 10 2005 025 632 A1 oder DE 100 50 614 C1 ist bekannt, dass die elektrische Kontaktierung der Rückelektrodenschicht mit äußeren Zuleitungen durch ein Federkontaktelement erfolgt, wobei der Federkontakt durch eine Aussparung geführt wird und den Sammelleiter kontaktiert.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Solarmodul mit Anschlusselement bereitzustellen, das eine sichere elektrische Kontaktierung der photovoltaischen Schicht ermöglicht ohne das Substrat durch eine Aussparung oder eine Öffnung in seiner mechanischen Stabilität zu schwächen.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird erfindungsgemäß durch ein Solarmodul mit Anschlusselement gemäß Anspruch 1 gelöst. Bevorzugte Ausführungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls mit Anschlusselement sowie eine Verwendung des Anschlusselements gehen aus weiteren Ansprüchen hervor.
Dünnschichtsolarzellen unterscheiden sich hinsichtlich ihrer Schichtanordnung in zwei Konfigurationen: In der so genannten Substratkonfiguration werden die Rückelektrode und die photovoltaisch aktive Absorberschicht direkt auf ein Substrat abgeschieden. Das Substrat befindet sich auf der dem Lichteinfall abgewandten Seite der Dünnschichtsolarzelle. In der so genannten Superstratkonfiguration wird die Frontelektrode direkt auf eine Deckscheibe abgeschieden. Die Deckscheibe befindet sich auf der dem Lichteinfall zugewandten Seite der Dünnschichtsolarzelle.
Das erfindungsgemäße Solarmodul mit Anschlusselement umfasst bevorzugt ein Solarmodul in Substratkonfiguration. Das Substrat weist auf der Vorderseite eine Rückelektrodenschicht auf und die Rückelektrodenschicht ist mit einer photovoltaisch aktiven Absorberschicht teilweise elektrisch leitend verbunden.
Die photovoltaisch aktive Absorberschicht im Sinne der Erfindung umfasst mindestens eine p-leitende Halbleiterschicht und eine n-leitende Frontelektrodenschicht. Die Frontelektrodenschicht ist für Strahlung im für die Halbleiterschicht empfindlichen Spektralbereich transparent. Die Frontelektrodenschicht ist auf der der Rückelektrodenschicht abgewandten Seite der photovoltaischen aktiven Absorberschicht angeordnet.
Die photovoltaisch aktive Absorberschicht umfasst besonders bevorzugt eine p- leitende Halbleiterschicht, mindestens eine Pufferschicht und eine n-leitende Frontelektrodenschicht.
Das erfindungsgemäße Solarmodul mit Anschlusselement umfasst bevorzugt ein Solarmodul in Superstratkonfiguration. Dabei ist eine Deckscheibe auf ihrer Rückseite über eine Frontelektrodenschicht mit einer photovoltaisch aktiven Schicht verbunden.
Die Vorderseite des Substrats ist mit mindestens einer Zwischenschicht mit der Rückseite der Deckscheibe verbunden. Da in Substratkonfiguration die Vorderseite des Substrats großflächig die Rückelektrodenschicht und die photovoltaisch aktive Absorberschicht aufweist, erfolgt die Verbindung zwischen Substrat und Zwischenschicht großflächig über diese Schichten. Da in Superstratkonfiguration die Rückseite der Deckscheibe großflächig die photovoltaisch aktive Absorberschicht und die Rückelektrodenschicht aufweist, erfolgt die Verbindung zwischen Substrat und Zwischenschicht großflächig über diese Schichten.
Mindestens ein Folienleiter ist mit der Rückelektrodenschicht und/oder der Frontelektrodenschicht elektrisch leitend verbunden. Der Folienleiter ist um den Seitenrand des Substrats herum angeordnet und auf der Rückseite des Substrats befestigt. In einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung ist der Folienleiter um den Seitenrand der Deckscheibe herum angeordnet und auf der Vorderseite der Deckscheibe befestigt. Es ist auch möglich einen der Folienleiter auf der Rückseite des Substrats und einen zweiten Folienleiter auf der Vorderseite der Deckscheibe zu befestigen. Der Folienleiter ist bevorzugt um den Seitenrand des Substrats herum angeordnet und auf der Rückseite des Substrats befestigt.
Der Folienleiter weist eine Anschlussstelle zur elektrischen Kontaktierung auf. Auf der Rückseite des Substrats oder der Vorderseite der Deckscheibe ist mindestens ein Anschlussgehäuse befestigt. Das Anschlussgehäuse weist mindestens eine elektrische Leitungsverbindung zwischen einem Kontaktelement und der Anschlussstelle des Folienleiters auf.
Deckscheibe und Substrat sind vorzugsweise aus vorgespanntem, teilvorgespanntem oder nichtvorgespanntem Glas, insbesondere Floatglas gefertigt. Die Deckscheibe enthält insbesondere gehärtetes oder nichtgehärtetes eisenarmes Natron-Kalk-Glas mit einer hohen Durchlässigkeit für Sonnenlicht. Deckscheibe und Substrat weisen bevorzugt Dicken von 1 ,5 mm bis 10 mm auf. Die Zwischenschichten enthalten vorzugsweise thermoplastische Kunststoffe, wie Polyvinylbutyral (PVB) oder Ethylenvinylacetat (EVA) oder mehrere Schichten davon, bevorzugt mit Dicken von 0,3 mm bis 0,9 mm. Substrat und Deckscheibe werden über eine oder mehrere Zwischenschichten bei Hitze und Druck oder unter Vakuum fest miteinander verbunden.
Der Folienleiter, mitunter auch flexibler Flachleiter oder Flachbandleiter genannt, besteht üblicherweise aus einem metallischen Band wie einem verzinnten Kupferband mit einer Dicke von 0,03 mm bis 0,3 mm und einer Breite von 2 mm bis 16 mm. Kupfer hat sich für solche Leiterbahnen bewährt, da es eine gute elektrische Leitfähigkeit sowie eine gute Verarbeitbarkeit zu Folien besitzt. Gleichzeitig sind die Materialkosten niedrig. Es können auch andere elektrisch leitende Materialien verwendet werden, die sich zu Folien verarbeiten lassen. Beispiele hierfür sind Aluminium, Gold, Silber oder Zinn und Legierungen davon.
Der Folienleiter ist zur elektrischen Isolation und zur Stabilisierung auf ein Trägermaterial aus Kunststoff aufgebracht oder beidseitig mit diesem laminiert. Das Isolationsmaterial enthält in der Regel eine 0,025 mm bis 0, 1 mm dicke Folie auf Basis eines Polymers, wie Polyimid, Polyester, Polyethylen, Silikon, Polyacryl, Polyurethan, Polyisobutylen, Polytetrafluorethylen, Ethylenvinylacetat, Polyvinyfluorid, Polyethylennaphthalat oder Kombinationen davon. Andere Kunststoffe oder Materialien mit den erforderlichen isolierenden Eigenschaften können ebenfalls verwendet werden. In einem Folienleiterband können sich mehrere voneinander elektrisch isolierte, leitfähige Schichten befinden. Es versteht sich, dass einseitig isolierte Folienleiter mit ihrer nicht isolierten Seite auf einem elektrisch isolierenden Untergrund wie Substrat oder Deckscheibe angeordnet werden. Derartige Folienleiter mit ein- oder beidseitiger Kunststoffisolation sind industriell leicht herstellbar und kostengünstig erhältlich. Die Folienleiter können bereits vorkonfektioniert (vorgefertigt) und beispielsweise an den Anschlussstellen von der Kunststoffisolation befreit sein. Vorkonfektionierte Folienleiter können einfach und automatisiert verarbeitet werden. Vorzugsweise wird ein vorkonfektionierter Folienleiter bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Solarmoduls verwendet, was verfahrenstechnische Vorteile (z.B. einfache Verarbeitbarkeit, sichere und zuverlässige Isolierung des metallischen Bands) mit sich bringt. Wie bereits ausgeführt, kann der Folienleiter ein- oder beidseitig mit einer Kunststoffisolation versehen sein. Der Begriff "vorgefertigt" oder "vorkonfektioniert" bezeichnet den Sachverhalt, dass der Folienleiter bereits vor dem Anbringen am Solarmodul über ein metallisches Band mit einer damit verbundenen Kunststoffisolation verfügt. Die Kunststoffisolation wird also beispielsweise nicht erst beim Laminieren des Solarmoduls mit dem metallischen Band fest verbunden.
Vorzugsweise wird ein Folienleiter verwendet, bei dem ein metallisches Band in die Kunststoffisolation beidseitig einlaminiert ist. Hierbei enthält der Folienleiter keine Klebstoffschicht zum Befestigen der Kunststoffisolation am metallischen Band. Die Kunststoffisolation besteht in diesem Fall aus einem Thermoplasten (z.B. EVA = Ethylenvinylacetat), d.h. aus einem Material, das bei Temperaturerhöhung aufschmilzt und nach Verfestigen einen festen Verbund mit dem metallischen Band bildet. Als "Laminieren" wird der Vorgang des Verbindens des metallischen Bands mit der Kunststoffisolation durch eine Temperaturerhöhung zum Schmelzen der Kunststoffisolation und eine anschließende Abkühlung zum Verfestigen der Kunststoffisolation und Verbinden mit dem metallischen Band bezeichnet. Vorzugsweise wird zum Laminieren das metallische Band in einer "Sandwichstruktur" zwischen zwei Lagen Kunststoffisolationsfolie angeordnet. Gegebenenfalls wird beim Laminieren von beiden Druck auf den Laminationsverbund ausgeübt, um die Haftkraft zu verstärken. Ein Folienleiter, bei dem ein metallisches Band zwischen Lagen Kunststoffisolation einlaminiert ist, hat den Vorteil einer besonders hohen Stabilität im Langzeitgebrauch des Solarmoduls, da bei einer Klebstoffschicht nicht ausgeschlossen werden kann, dass sich die Kunststoffisolation mit der Zeit vom metallischen Band ablöst. Dies gilt im besonderen Maße bei Solarmodulen, die häufig mehrere Jahrzehnte im Einsatz sind. Denkbar ist auch, dass ein Folienleiter eingesetzt wird, bei dem das metallische Band nur einseitig mit einer Kunststoffisolation laminiert ist. Metallische Bänder ohne Kunststoffisolation müssen zur Isolation und zum Schutz vor Korrosion mit einer Kunststoffschicht oder dergleichen beklebt werden. Dazu ist ein zusätzlicher Prozessschritt notwendig, der Mehrkosten verursacht. Für einen hinreichenden Schutz vor Korrosion muss die Kunststoffschicht weit über den Folienleiter überstehen oder die komplette Seite des Moduls bedecken. Dadurch entstehen deutlich höhere Materialkosten als bei der erfindungsgemäßen Lösung.
Der Folienleiter ist mit der Rück- und/oder Frontelektrodenschicht elektrisch leitend verbunden. Die Verbindung erfolgt vorzugsweise durch Schweißen, Bonden, Löten, Klemmen oder Kleben mittels eines elektrisch leitfähigen Klebers.
Folienleiter, die sich zur Kontaktierung von Rück- und/oder Frontelektrodenschichten in Solarmodulen eignen, weisen lediglich eine Gesamtdicke von maximal 0,5 mm auf. Derart dünne Folienleiter können ohne Schwierigkeiten zwischen Substrat und Deckscheibe in die Zwischenschicht eingebettet werden. Dies setzt voraus, dass die Kunststoffisolation des Folienleiters entsprechend dünn ist.
Der Folienleiter weist auf der Rückseite des Substrats oder der Vorderseite der Deckscheibe eine Anschlussstelle zur elektrischen Kontaktierung auf. Dies ist bevorzugt eine Aussparung in der äußeren Kunststoffisolierung des Folienleiters, so dass der metallische Innenleiter des Folienleiters für Kontaktelemente frei zugänglich ist. Die Anschlussstellen können bereits vorverzinnt sein, was eine folgende elektrische Leitungsverbindung, beispielsweise bei einem Lötvorgang, erleichtert.
Der Folienleiter ist bevorzugt mit dem Substrat oder der Deckscheibe verklebt. Der Kleber dient zur Abdichtung des Bereichs zwischen Folienleiter und Substrat oder Deckscheibe. Der Kleber schützt das Innere der Dünnschichtsolarzelle vor eindringender Feuchtigkeit.
Die vorliegende Erfindung umfasst außerdem mindestens ein ein- oder mehrteiliges Anschlussgehäuse mit mindestens einer elektrischen Zuleitung und einem Kontaktelement zur Ausbildung einer elektrischen Leitungsverbindung mit der Anschlussstelle des Folienleiters. Das Anschlussgehäuse wird vorzugsweise aus einem elektrisch isolierenden Werkstoff hergestellt. Für eine industrielle Fertigung des Anschlussgehäuses bieten sich thermoplastische Kunststoffe und Elastomere an, die im Spritzgussverfahren verarbeitet werden. Als thermoplastische Kunststoffe und Elastomere werden beispielsweise Polyamid, Polyoxymethylen, Polybutylenterephthalat oder Ethylen- Propylen-Dien-Kautschuk verwendet. Alternativ können auch Vergusswerkstoffe wie Acrylat- oder Epoxidharzsysteme zur Herstellung des Anschlussgehäuses verwendet werden. Das Anschlussgehäuse kann aus Metall oder einem anderen elektrisch leitenden Werkstoff mit elektrisch isolierenden Einsätzen hergestellt werden.
Als Kontaktelemente werden bevorzugt Kontaktstifte oder Federkontaktelemente aus Metall verwendet. Für den bevorzugten Einsatzzweck in einem Solarmodul genügt eine lötfreie, klemmende Verbindung, da die Kontaktstelle beim Einsatz in Gebäuden in der Regel keinen Vibrationen ausgesetzt ist. Bei Bedarf kann die elektrische Leitungsverbindung zwischen Kontaktelementen auch geschweißt, gebondet, gelötet, geklebt oder zusätzlich gesichert werden.
Das Anschlussgehäuse kann als Basis für einen Anschlussstecker oder eine Anschlussleitung dienen. Außerdem kann es weitere Funktionselemente wie Dioden oder eine Steuerungselektrik aufnehmen.
Das Anschlussgehäuse wird auf der Rückseite des Substrats oder der Vorderseite der Deckscheibe vorzugsweise durch Kleben befestigt und abgedichtet. Das Kleben erfolgt vorzugsweise mittels eines Klebestrangs oder Klebebandes mit einem Kleber auf Acryl-, Polyurethan- oder Polyisobutylenbasis. Durch die Verklebung kann das Innere des Gehäuses gegen Gase, Wasser oder Feuchtigkeit hermetisch abgedichtet werden. Die elektrische Kontaktstelle im Innern des Gehäuses wird dadurch vor Korrosion geschützt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Anschlussstelle des Folienleiters in einem Bereich der umlaufenden Randfläche des Substrats angeordnet. Auf diese Weise kann eine besonders flache Bauform des Solarmoduls erzielt werden. In einer bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Solarmoduls ist der Folienleiter mit der Rückelektrodenschicht elektrisch leitend verbunden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Solarmoduls ist der Folienleiter über einen Sammelleiter mit der Rückelektrodenschicht und/oder der Frontelektrodenschicht verbunden. Der Sammelleiter kann prinzipiell wie ein Folienleiter oder die elektrisch leitfähige Schicht eines Folienleiters aufgebaut sein. Als Sammelleiter können elektrisch leitende Materialien verwendet werden, die sich zu Folien verarbeiten lassen. Der Sammelleiter enthält bevorzugt ein Metall, besonders bevorzugt Aluminium, Kupfer, Gold, Silber oder Zinn und Legierungen davon. Der Sammelleiter hat bevorzugt eine Dicke von 0,03 mm bis 0,3 mm und eine Breite von 2 mm bis 16 mm. Der Sammelleiter erstreckt sich in der Regel entlang der langen Seite eines in Aufsicht rechteckförmigen Solarmoduls.
Die elektrisch leitende Verbindung zwischen Folienleiter und Sammelleiter befindet sich bevorzugt in der Mitte der Erstreckungsrichtung des Sammelleiters. Da der Sammelleiter selbst einen ohmschen Widerstand aufweist, findet bei einem Stromfluss durch den Sammelleiter ein Spannungsabfall statt. Bei einer elektrischen Kontaktierung in der Mitte der Erstreckungsrichtung des Sammelleiters wird eine homogenere Verteilung des Stromflusses durch das Solarmodul und den Sammelleiter erzielt als bei einer elektrischen Kontaktierung an einem Ende des Sammelleiters. Außerdem ist die maximale Stromdichte im Sammelleiter im Bereich des Stromabgriffs geringer als im Falle einer Kontaktierung an einem Ende. Dies erlaubt die Verwendung von Sammelleitern mit einer geringeren Querschnittsfläche, beispielsweise mit einer geringeren Breite. Durch den Einsatz von schmaleren Sammelleitern kann die photovoltaisch aktive Fläche des Solarmoduls vergrößert und die flächenabhängige Leistung erhöht werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Solarmoduls enthält die Rückelektrodenschicht ein Metall, bevorzugt Molybdän, Titan- oder Tantalnitride. Die Rückelektrodenschicht kann einen Schichtstapel unterschiedlicher Einzelschichten umfassen. Vorzugsweise enthält der Schichtstapel eine Diffusionsbarriere aus Siliziumnitrid um eine Diffusion von beispielsweise Natrium aus dem Substrat in die photovoltaisch aktive Absorberschicht zu verhindern.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Solarmoduls enthält die Frontelektrodenschicht einen n-leitenden Halbleiter, bevorzugt Aluminium-dotiertes Zinkoxid oder Indium-Zinnoxid. In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Solarmoduls enthält die p- leitende Halbleiterschicht der photovoltaisch aktiven Absorberschicht amorphes, mikromorphes oder polykristallines Silizium, Cadmium-Tellurid (CdTe), Gallium-Arsenid (GaAs) oder Kupfer-lndium(Gallium)-Schwefel/Selen (CI(G)S).
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Solarmoduls weist das Substrat bezüglich der Deckscheibe einen Rückschnitt auf oder ist im Vergleich zur Deckscheibe versetzt. Der Rückschnitt, also der Abstand zwischen den Seitenrändern von Substrat und Deckscheibe, beträgt bevorzugt von 0,1 mm bis 20 mm, besonders bevorzugt von 1 mm bis 5 mm. Der Rückschnitt kann sich über die Breite des umlaufenden Seitenrandes des Substrats erstrecken oder nur auf einen Bereich um die Austrittsstelle des Folienleiters. Der Folienleiter verläuft im Bereich des Rückschnitts ohne Überstand um den Seitenrand des Substrats herum. Er steht nicht hervor und ist bei Transport und Montage weitgehend vor Beschädigungen geschützt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Solarmoduls ist der Spalt zwischen Substrat und Deckscheibe durch eine Randversiegelung abgedichtet, bevorzugt durch einem Kleber auf Acryl-, Polyurethan- oder Polyisobutylenbasis. Die Randversiegelung verhindert das Eindringen von Luft, Wasser oder Feuchtigkeit und schützt die empfindlichen Halbleiter- und Metallschichten vor Korrosion. Bei einer Ausgestaltung ist die Randversiegelung einseitig des Folienleiters angeordnet. Von Vorteil im Hinblick auf das Eindringen von Luft, Wasser, Feuchtigkeit kann sein, wenn die Randversiegelung beidseitig des Folienleiters angeordnet ist, d.h. wenn der Folienleiter im Sinne einer "Sandwichstruktur" zwischen zwei Abschnitten der Randversiegelung angeordnet ist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Solarmoduls weist der Folienleiter außerhalb des Verbunds aus Substrat, Zwischenschicht und Deckscheibe eine Schutzschicht auf, bevorzugt eine Schutzschicht auf Basis eines Polymers, wie Polyimid, Polyester, Polyethylen, Silikon, Polyacryl, Polyurethan, Polyisobutylen, Polytetrafluorethylen, Ethylenvinylacetat, Polyvinylfluorid, oder Polyethylennaphthalat oder Kombinationen davon. Die Schutzschicht enthält besonders bevorzugt eine Schichtfolge aus Polyvinyfluorid/Polyester/Polyvinylfluorid und wird über eine Ethylenvinylacetatschicht mit der Oberfläche des Substrats verklebt. Die Schutzschicht hat bevorzugt eine Dicke von 0,1 mm bis 1 mm und eine Breite von 3 mm bis 50 mm. Die Schutzschicht schützt den Folienleiter vor mechanischer Beschädigung. Zusätzlich wird durch die Schutzschicht die Durchschlagsfestigkeit zu spannungsführenden Schichten erhöht und Kriechströme verringert. Vorzugsweise überspannt die Schutzschicht die Austrittsstelle des Folienleiters zwischen Substrat und Deckscheibe und ist zu diesem Zweck beispielsweise mit dem Substrat und der Deckscheibe fest verbunden. Alternativ wäre es auch möglich, dass die Schutzschicht mit dem Anschlussgehäuse fest verbunden ist, anstelle der Befestigung am Substrat oder Deckscheibe je nachdem wo sich das Anschlussgehäuse befindet. Die Schutzschicht ist verschieden von der Kunststoffisolation des Folienleiters. Zudem ist die Schutzschicht verschieden von der thermoplastischen Zwischenschicht zum Verbinden von Substrat und Deckscheibe. Durch die Schutzschicht kann insbesondere ein Schutz vor dem Eindringen von Luft, Wasser, Feuchtigkeit im Bereich der Austrittsstelle des Folienleiters erreicht werden. Falls im erfindungsgemäßen Solarmodul das Substrat bezüglich der Deckscheibe einen Rückschnitt aufweist, kann es weiterhin von Vorteil sein, wenn die Schutzschicht im Bereich des gegenüber dem Substrat vorspringenden Abschnitts der Deckscheibe mit dieser verbunden ist, so dass die Schutzschicht nicht über den Seitenrand der Deckscheibe hinausragt. Durch diese Maßnahme kann ein besonders dauerhafter Schutz der Austrittsstelle des Folienleiters realisiert werden.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Solarmoduls ist das Innere des Anschlussgehäuses durch ein Dichtmittel abgedichtet, bevorzugt durch einen Kleber auf Acryl-, Polyurethan- oder Polyisobutylenbasis. Das Dichtmittel verhindert das Eindringen von Luft, Wasser oder Feuchtigkeit in das Innere des Anschlussgehäuses und schützt die elektrische Leitungsverbindung zwischen Folienleiter und Kontaktelement vor Korrosion.
Alternativ oder zusätzlich kann am Anschlussgehäuse ein Schutzelement, angebracht sein, das den Folienleiter vor mechanischen Beschädigungen schützt. Das Schutzelement kann beispielsweise einen Kunststoff enthalten. Das Schutzelement kann bevorzugt im Bereich des Seitenrandes des Substrats angeordnet sein. Das Schutzelement ragt bevorzugt nicht über den Seitenrand der Deckscheibe hinaus. Der Zwischenraum zwischen Schutzelement und Substrat oder Deckscheibe weist bevorzugt ein Dichtmaterial auf, beispielsweise einen Kleber auf Acryl-, Polyurethan-, Polyisobutylen- oder Silikonbasis. Durch das Dichtmaterial wird die Durchschlagsfestigkeit zu spannungsführenden Schichten, wie der elektrisch leitfähigen Schicht des Folienleiters, erhöht. Gleichzeitig werden Kriechströme, beispielsweise durch eindringende Feuchtigkeit, erniedrigt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Solarmoduls weisen die elektrischen Leitungsverbindungen zwischen Folienleiter und Rück- und/oder Frontelektrodenschicht, zwischen Sammelleiter und Rück- und/oder Frontelektrodenschicht, zwischen Folienleiter und Sammelleiter und/oder zwischen Folienleiter und Kontaktelement Löt-, Schweiß-, Bond- oder Klemmverbindungen auf. Die elektrischen Leitungsverbindungen können auch Klebeverbindungen mit einem elektrisch leitfähigen Kleber aufweisen.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Solarmoduls weist das Solarmodul zwei Folienleiter und zwei Anschlussgehäuse auf. Ein Folienleiter ist vorzugsweise mit dem positiven Spannungsanschluss des Solarmoduls und der zweite Folienleiter mit dem negativen Spannungsanschluss des Solarmoduls verbunden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Solarmoduls sind mindestens zwei Folienleiter auf der Rückseite des Substrats oder der Vorderseite der Deckscheibe in einem Anschlussgehäuse mit mindestens zwei Kontaktelementen elektrisch leitend verbunden. Beide Kontaktelemente können beispielsweise über ein zweipoliges Kabel oder einen zweipoligen Stecker mit einer weiteren elektrischen Schaltung verbunden sein.
Die Erfindung umfasst außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Solarmoduls mit Anschlusselement. Das Verfahren umfasst mindestens folgende Schritte: In einem ersten Schritt wird eine Rückelektrodenschicht auf die Vorderseite eines Substrats aufgebracht. Danach werden auf die Rückelektrodenschicht mindestens eine Halbleiterschicht, nachfolgend eine Pufferschicht und nachfolgend eine Frontelektrodenschicht aufgebracht. Die Halbleiterschicht, die Pufferschicht und die Frontelektrodenschicht bilden die photovoltaisch aktive Absorberschicht. Die Rückelektrodenschicht und die photovoltaisch aktive Absorberschicht sind miteinander elektrisch leitend verbunden. Die Rückelektrodenschicht, die Halbleiterschicht, die Pufferschicht und die Frontelektrodenschicht werden mit an sich bekannten Verfahren zur Herstellung einer integrierten seriellen Verschaltung einzelner Solarzellen zu einem Solarmodul strukturiert und verschaltet. In einem zweiten Schritt wird ein vorzugsweise vorgefertigter bzw. vorkonfektionierter Folienleiter mit der Rück- und/oder der Frontelektrodenschicht elektrisch leitend verbunden. Die elektrisch leitende Verbindung erfolgt beispielsweise durch Schweißen, Bonden, Löten, Klemmen oder Kleben mit einem elektrisch leitfähigen Kleber. In einem dritten Schritt werden das Substrat und die Deckscheibe mit einer Zwischenschicht unter Einwirkung von Hitze, Vakuum und/oder Druck miteinander verbunden. In einem vierten Schritt wird der Folienleiter um den Seitenrand des Substrats herumgelegt und auf der Rückseite des Substrats befestigt, beispielsweise durch Kleben oder Klemmen. Anschließend wird ein Anschlussgehäuse mit mindestens einem Kontaktelement auf der Rückseite des Substrats befestigt, beispielsweise durch Kleben oder Klemmen, und das Kontaktelement mit der Anschlussstelle des Folienleiters elektrisch leitend verbunden.
Die Erfindung umfasst außerdem ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Solarmoduls mit Anschlusselement in Superstratkonfiguration. Das Verfahren umfasst mindestens folgende Schritte: In einem ersten Schritt wird eine Frontelektrodenschicht auf die Rückseite einer Deckscheibe aufgebracht. Danach werden auf die Frontelektrodenschicht mindestens eine Pufferschicht, nachfolgend eine Halbleiterschicht und nachfolgend eine Rückelektrodenschicht aufgebracht. Die Halbleiterschicht, die Pufferschicht und die Frontelektrodenschicht bilden die photovoltaisch aktive Absorberschicht. Die Rückelektrodenschicht und die photovoltaisch aktive Absorberschicht sind miteinander elektrisch leitend verbunden. Die Rückelektrodenschicht, die Halbleiterschicht, die Pufferschicht und die Frontelektrodenschicht werden mit an sich bekannten Verfahren zur Herstellung einer integrierten seriellen Verschaltung einzelner Solarzellen zu einem Solarmodul strukturiert und verschaltet. In einem zweiten Schritt wird ein vorzugsweise vorgefertigter bzw. vorkonfektionierter Folienleiter mit der Rück- und/oder der Frontelektrodenschicht elektrisch leitend verbunden. Die elektrisch leitende Verbindung erfolgt beispielsweise durch Schweißen, Bonden, Löten, Klemmen oder Kleben mit einem elektrisch leitfähigen Kleber. In einem dritten Schritt werden das Substrat und die Deckscheibe mit einer Zwischenschicht unter Einwirkung von Hitze, Vakuum und/oder Druck miteinander verbunden. In einem vierten Schritt wird der Folienleiter um den Seitenrand des Substrats herumgelegt und auf der Rückseite des Substrats befestigt, beispielsweise durch Kleben oder Klemmen. Danach wird ein Anschlussgehäuse mit mindestens einem Kontaktelement auf der Rückseite des Substrats befestigt, beispielsweise durch Kleben oder Klemmen, und das Kontaktelement mit der Anschlussstelle des Folienleiters elektrisch leitend verbunden.
In einer alternativen Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der vorzugsweise vorgefertigte bzw. vorkonfektionierte Folienleiter im jeweils vierten Schritt um den Seitenrand der Deckscheibe herumgelegt und auf der Vorderseite der Deckscheibe befestigt. Anschließend wird das Anschlussgehäuse auf der Vorderseite der Deckscheibe befestigt.
Zur Verbindung von Deckscheibe und Substrat mit einer Zwischenschicht können die dem Fachmann geläufigen Verfahren mit und ohne vorhergehende Herstellung eines Vorverbundes eingesetzt werden. Es können beispielsweise so genannte Autoklavverfahren bei einem erhöhten Druck von etwa 10 bar bis 15 bar und Temperaturen von 130°C bis 145°C über etwa 2 Stunden durchgeführt werden. An sich bekannte Vakuumsack- oder Vakuumringverfahren arbeiten beispielsweise bei etwa 200 mbar und 130°C bis 145°C.
Vorzugsweise können Deckscheibe und Substrat mit einer Zwischenschicht in einem Kalander zwischen mindestens einem Walzenpaar zu einem erfindungsgemäßen Solarmodul verpresst werden. Anlagen dieser Art sind zur Herstellung von Verbundverglasungen bekannt und verfügen normalerweise über mindestens einen Heiztunnel vor einem Presswerk. Die Temperatur während des Pressvorgangs beträgt beispielsweise von 40 bis 150°C. Kombinationen von Kalander- und Autoklavverfahren haben sich in der Praxis besonders bewährt.
Alternativ werden zur Herstellung der erfindungsgemäßen Solarmodule Vakuumlaminatoren eingesetzt. Diese bestehen aus einer oder mehreren beheizbaren und evakuierbaren Kammern, in denen Deckscheibe und Substrat innerhalb von beispielsweise etwa 60 Minuten bei verminderten Drücken von 0,01 mbar bis 800 mbar und Temperaturen von 80°C bis 170°C laminiert werden können.
In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird nach dem ersten Schritt ein Sammelleiter mit der Rück- und/oder Frontelektrodenschicht elektrisch leitend verbunden, beispielsweise durch Schweißen, Bonden, Löten, Klemmen oder Kleben mit einem elektrisch leitfähigen Kleber. Im zweiten Schritt wird der Folienleiter mit dem Sammelleiter elektrisch leitend verbunden. Der Folienleiter ist dann über den Sammelleiter mit der Rück- und/oder Frontelektrodenschicht elektrisch leitend verbunden.
Die Erfindung umfasst außerdem die Verwendung des Anschlusselements zur elektrischen Kontaktierung eines Solarmoduls, insbesondere eines Dünnschichtsolarmoduls.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Die Zeichnung ist eine schematische Darstellung und nicht maßstabsgetreu. Insbesondere die Schichtdicken des Folienleiters sind hier zur Veranschaulichung deutlich vergrößert dargestellt. Die Zeichnung schränkt die Erfindung in keiner Weise ein.
Es zeigen:
Figur 1 eine Querschnittszeichnung eines erfindungsgemäßen Solarmoduls mit zwei seriell verbundenen Solarzellen in Substratkonfiguration,
Figur 2 eine schematisch Darstellung eines erfindungsgemäßen Solarmoduls in einer Ansicht auf die Rückseite des Substrats,
Figur 2A eine Querschnittszeichnung entlang der Linie A-A' aus Figur 2,
Figur 2B eine Querschnittszeichnung entlang der Linie B-B' aus Figur 2,
Figur 3 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Solarmoduls in einer Ansicht auf die Rückseite des Substrats,
Figur 3A eine Querschnittszeichnung entlang der Linie C-C aus Figur 3,
Figur 3B eine Querschnittszeichnung entlang der Linie C-C aus Figur 3 einer weiteren
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dünnschichtsolarmoduls,
Figur 3C eine Querschnittszeichnung einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen
Solarmoduls von Figur 3,
Figur 4 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Solarmoduls in einer Ansicht auf die Rückseite des Substrats, Figur 4A eine Querschnittszeichnung entlang der Linie D-D' aus Figur 4,
Figur 4B eine Querschnittszeichnung einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Solarmoduls in Substratkonfiguration, Figur 4C eine Querschnittszeichnung einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Solarmoduls in Superstratkonfiguration,
Figur 5 eine Querschnittszeichnung einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Solarmoduls in Substratkonfiguration,
Figur 6 eine Querschnittszeichnung einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Solarmoduls in Superstratkonfiguration,
Figur 7 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausgestaltung des
erfindungsgemäßen Solarmoduls in einer Ansicht auf die Rückseite des Substrats, Figur 7A eine Querschnittszeichnung entlang der Linie E-E' aus Figur 7 einer
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Solarmoduls in Substratkonfiguration,
Figur 7B eine Querschnittszeichnung entlang der Linie E-E' aus Figur 7 einer
Weiterbildung des erfindungsgemäßen Solarmoduls in Superstratkonfiguration, Figur 8A ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte anhand eines Flussdiagramms,
Figur 8B ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte anhand eines Flussdiagramms,
Figur 8C ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte anhand eines Flussdiagramms,
Figur 8D ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte anhand eines Flussdiagramms und
Figur 9 ein Solarmodul nach dem Stand der Technik in einer Ansicht auf die Rückseite des Substrats.
In den folgenden Figuren ist eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Solarmoduls mit Anschlusselement am Beispiel eines Dünnschichtsolarmoduls (20) dargestellt.
Figur 1 zeigt zwei Solarzellen (20.1) und (20.2) eines Dünnschichtsolarmoduls (20) in Substratkonfiguration. Das Dünnschichtsolarmodul (20) umfasst ein elektrisch isolierendes Substrat (1) mit einem darauf aufgebrachten Schichtenaufbau zur Ausbildung einer photovoltaisch aktiven Absorberschicht (4). Der Schichtenaufbau ist auf der lichteintrittseitigen Vorderseite (III) des Substrats (1) angeordnet. Das Substrat (1) besteht hier beispielsweise aus Glas mit einer relativ geringen Lichtdurchlässigkeit, wobei gleichermaßen andere isolierende Materialien mit genügender Festigkeit, sowie inertem Verhalten gegenüber den durchgeführten Prozessschritten eingesetzt werden können.
Der Schichtenaufbau umfasst eine auf der Vorderseite (III) des Substrats (1) angeordnete Rückelektrodenschicht (3). Die Rückelektrodenschicht (3) enthält beispielsweise eine Schicht aus einem lichtundurchlässigen Metall wie Molybdän und wird beispielsweise durch Kathodenzerstäuben auf das Substrat (1) aufgebracht. Die Rückelektrodenschicht (3) hat beispielsweise eine Schichtdicke von etwa 1 μιη. In einer anderen Ausführungsform umfasst die Rückelektrodenschicht (3) einen Schichtstapel unterschiedlicher Einzelschichten. Vorzugsweise enthält der Schichtstapel eine Diffusionsbarriere um eine Diffusion von beispielsweise Natrium aus dem Substrat (1) in die photovoltaisch aktive Absorberschicht (4) zu verhindern.
Auf der Rückelektrodenschicht (3) ist eine photovoltaisch aktive Absorberschicht (4) abgeschieden, deren Bandabstand vorzugsweise in der Lage ist, einen möglichst großen Anteil des Sonnenlichts zu absorbieren. Die photovoltaisch aktive Absorberschicht (4) enthält eine p-dotierte Halbleiterschicht (23), beispielsweise einen p-leitenden Chalkopyrithalbleiter, wie eine Verbindung der Gruppe Kupfer-Indium-Di- selenid (CulnSe2), insbesondere Natrium (Na)-dotiertes Cu(lnGa)(SSe)2. Die Halbleiterschicht (23) hat beispielsweise eine Schichtdicke von 500 nm bis 5 μηι und insbesondere von etwa 2 μηι. Auf der Halbleiterschicht (23) ist eine Pufferschicht (21) abgeschieden, die hier beispielsweise eine Einzellage Cadmiumsulfid (CdS) und eine Einzellage intrinsisches Zinkoxid (i-ZnO) enthält. Auf die Pufferschicht (21) ist eine Frontelektrodenschicht (22) aufgebracht, beispielsweise durch Aufdampfen. Die Frontelektrodenschicht (22) ist für Strahlung im für die Halbleiterschicht (23) empfindlichen Spektralbereich transparent ("Fensterschicht"), um eine nur geringe Schwächung des einstrahlenden Sonnenlichts zu gewährleisten. Die transparente Frontelektrodenschicht (22) kann verallgemeinernd als TCO-Schicht (TCO = Transparent Conductive Electrode) bezeichnet werden und basiert auf einem dotierten Metalloxid, beispielsweise n-leitenden, Aluminium-dotierten Zinkoxid (AZO). Durch die Frontelektrodenschicht (22), die Pufferschicht (21) und die Halbleiterschicht (23) wird ein pn-Heteroübergang gebildet, das heißt eine Abfolge von unterschiedlichen Schichten vom entgegengesetzten Leitungstyp. Die Schichtdicke der Frontelektrodenschicht (22) beträgt beispielsweise 300 nm. Das Schichtsystem ist mit an sich bekannten Verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls in einzelne photovoltaisch aktive Bereiche, so genannte Solarzellen (20.1) und (20.2) unterteilt. Die Unterteilung erfolgt durch Einschnitte (24.1 ), (24.2) und (24.3) unter Einsatz einer geeigneten Strukturierungstechnologie wie Laserschreiben und mechanische Bearbeitung, beispielsweise durch Abheben oder Ritzen. Die einzelnen Solarzellen (20.1) und (20.2) sind über einen Bereich (25) der Rückelektrodenschicht (3) seriell miteinander verschaltet.
Ein erfindungsgemäßes Dünnschichtsolarmodul (20) weist beispielsweise 100 seriell verschaltete Solarzellen und eine Leerlaufspannung von 56 Volt auf. Im hier dargestellten Beispiel werden sowohl der resultierende positive (+) als auch der resultierende negative (-) Spannungsanschluss des Dünnschichtsolarmoduls (20) über die Rückelektrodenschicht (3) geführt und dort elektrisch kontaktiert.
Zum Schutz vor Umwelteinflüssen ist auf der Frontelektrodenschicht (22) eine Zwischenschicht (5) aufgebracht, die beispielsweise Polyvinylbutyral (PVB) oder Ethylenvinylacetat (EVA) enthält. Die Dicke der Zwischenschicht (5) beträgt beispielsweise 0,76 mm. Zusätzlich ist der Schichtenaufbau aus Substrat (1), Rückelektrodenschicht (3) und photovoltaisch aktiver Absorberschicht (4) über die Zwischenschicht (5) mit einer Deckscheibe (2) versiegelt. Die Deckscheibe (2) ist für Sonnenlicht transparent und enthält beispielsweise gehärtetes, extraweißes Glas mit geringem Eisengehalt. Die Deckscheibe (2) weist beispielsweise eine Fläche von 1 ,6 m x 0,7 m auf. Das gesamte Dünnschichtsolarmodul (20) ist für die Montage am Verwendungsort in einem Aluminium-Hohlkammerrahmen befestigt, der hier nicht dargestellt ist.
Figur 2 zeigt eine schematische Aufsicht auf ein erfindungsgemäßes Dünnschichtsolarmodul (20), Figur 2A eine Schnittdarstellung entlang der Linie A-A aus Figur 2 und Figur 2B eine Schnittdarstellung entlang der Linie B-B aus Figur 2. Da die Rückelektrodenschicht (3) anfällig für Oxidation und Korrosion ist, wird sie in der Regel nicht bis zum äußeren Seitenrand (12) des Substrats (1) geführt. Der Bereich ohne Rückelektrodenschicht (3) weist vorzugsweise eine Breite von 10 mm bis 20 mm, beispielsweise 15 mm bezüglich des äußeren Seitenrandes (12) des Substrates (1) auf. Im Herstellungsprozess wird die Rückelektrodenschicht (3) üblicherweise auf dem gesamten Substrat (1) abgeschieden. Die Entschichtung des Randbereichs erfolgt dann in einem zweiten Schritt, beispielsweise mittels Laserablation, Plasmaätzen oder mechanischen Verfahren. Alternativ können Maskierungstechniken verwendet werden.
Ein umlaufender Randbereich der Rückelektrodenschicht (3) mit einer Breite von beispielsweise 15 mm ist nicht mit der photovoltaisch aktiven Absorberschicht (4) beschichtet. In diesem Bereich kann die Rückelektrodenschicht (3) mit der elektrisch leitfähigen Schicht (6.1) eines Folienleiters (6) elektrisch leitend verbunden werden. Die elektrische Leitungsverbindung (15) erfolgt beispielsweise durch Schweißen, Bonden, Löten oder Kleben mit einem elektrisch leitfähigen Kleber. Die elektrisch leitfähige Schicht (6.1) des Folienleiters (6) enthält beispielsweise ein Aluminiumband (6.1) mit einer Dicke von beispielsweise 0, 1 mm und einer Breite von beispielsweise 20 mm. Die elektrische Leitungsverbindung (15) erfolgt bei einem Aluminiumband vorzugsweise durch Ultraschallbonden. Die elektrisch leitfähige Schicht (6.1) des Folienleiters (6) ist beispielsweise einseitig, insbesondere beidseitig, mit einer elektrisch isolierenden Folie (6.2) aus beispielsweise Polyimid beklebt. Der Folienleiter (6) ist bereits vorkonfektioniert, d.h., die elektrisch isolierende Folie (6.2) ist bereits vor dem Anbringen des Folienleiters (6) am Solarmodul (20) mit der elektrisch leitfähigen Schicht (6.1) fest verbunden. Vorteilhaft ist die elektrisch leitfähige Schicht (6.1) mit einer elektrisch isolierenden Folie (6.2) einseitig oder mit zwei elektrisch isolierenden Folien (6.2) beidseitig laminiert.
Die elektrisch isolierende Folie (6.2) ist auf der außenliegenden Seite der elektrisch leitfähigen Schicht (6.1) des Folienleiters (6), das heißt auf der dem Substrat (1) abgewandten Seite der elektrisch leitfähigen Schicht (6.1) angeordnet. Die elektrisch isolierende Folie (6.2) hat beispielsweise eine Dicke von 0,02 mm und eine Breite von 25 mm. Der Folienleiter (6) ist vorzugsweise zusätzlich mit der Oberfläche des Substrats (1) verklebt. In einer alternativen Ausführung enthält die elektrisch leitfähige Schicht (6.1) des Folienleiters (6) ein verzinntes Kupferband. In einer weiteren alternativen Ausführung ist die elektrisch leitfähige Schicht (6.1) des Folienleiters (6) beidseitig mit einer elektrisch isolierenden Folie (6.2) beklebt.
Der Folienleiter (6) weist eine Anschlussstelle (7) zur elektrischen Kontaktierung auf. An der Anschlussstelle (7) ist die elektrisch isolierende Folie (6.2) entfernt und die elektrisch leitfähige Schicht (6.1) frei zugänglich. Im dargestellten Beispiel ist die Anschlussstelle (7) auf der Rückseite (IV) des Substrats (1) in einem Abstand von etwa 20 mm vom Seitenrand (12) angeordnet. Die Anschlussstelle (7) kann auf einer beliebigen Stelle der Rückseite (IV) des Substrats (1) oder auf deren Seitenrand (12) angeordnet sein.
In den Figuren 2A und 2B ist das Substrat (1) im Vergleich zur Deckscheibe (2) um einen Abstand R von beispielsweise 5 mm rückgeschnitten oder zurückversetzt. Der Folienleiter (6) verläuft in dem so entstandenen Raum. Der Folienleiter (6) ragt an seiner Austrittsstelle aus dem Verbund von Substrat (1) und Deckscheibe (2) nicht über die Deckscheibe (2) hinaus und ist vor äußeren mechanischen Belastungen geschützt.
Im angegebenen Beispiel erfolgt die elektrische Leitungsverbindung (10) zur Anschlussstelle (7) des Folienleiters (6) über ein Federkontaktelement (9). Für einen Folienleiter (6) mit einer elektrisch leitfähigen Schicht (6.1) aus Aluminium ist es zweckmäßig, die elektrisch leitfähige Schicht (6.1) im Bereich der Anschlussstelle (7) zu verzinnen. Das Federkontaktelement (9) ist beispielsweise mit Sperrdioden oder einer äußeren Steuerungselektrik verbunden. Das Federkontaktelement (9) ermöglicht eine einfache und schnelle Kontaktierung ohne zusätzliche Schritte wie Löten oder Kleben.
In diesem Ausführungsbeispiel werden der positive und der negative Spannungsanschluss des Dünnschichtsolarmoduls (20) über zwei Folienleiter (6) und (6') zwei Anschlussgehäuse (8) und (8') elektrisch kontaktiert.
Die Anschlussgehäuse (8) und (8') sind mit ihren Federkontaktelementen (9) und (9') derart gestaltet, dass sie einfach, schnell und automatisiert montiert werden können. In Figur 2A und Figur 2B ist das Anschlussgehäuse (8) beispielsweise mit dem Substrat (1) verklebt.
Das Verkleben des Anschlussgehäuses (8) mit dem Substrat (1) kann beispielsweise mit einem Acrylatkleber oder einem Polyurethankleber erfolgen. Neben der einfachen und dauerhaften Verbindung zwischen Anschlussgehäuse (8) und Substrat (1) erfüllen diese Kleber eine Dichtfunktion und schützen die elektrische Leitungsverbindung (10) zwischen Folienleiter (6) und Kontaktelement (9) vor Feuchtigkeit und Korrosion. Durch die Abdichtung der spannungsführenden elektrischen Leiter kann außerdem eine erforderliche elektrische Schutzklasse des elektrischen Anschlusses erzielt werden. Diese ist beispielsweise für den Einsatz im Freien notwendig. In einer bevorzugten Ausgestaltung wird das Innere des Anschlussgehäuses mit einem Dichtmittel (18) zumindest teilweise gefüllt, beispielsweise mit Polyisobutylen. Das elektrisch isolierende Dichtmittel (18) erhöht die elektrische Durchschlagsfestigkeit und vermindert eindringende Feuchtigkeit und damit einhergehende Kriechströme.
Die elektrisch leitfähige Schicht (6.1) des Folienleiters (6) muss an der Anschlussstelle (7) nicht metallisch blank sein, sondern kann mit einer Schutzschicht aus einem Lack oder einer Kunststofffolie überzogen sein. Diese Schutzschicht schützt die metallische Kontaktfläche vor Oxidation und Korrosion während des Herstellungsprozesses. Die Schutzschicht kann mit einem Gegenstand zur Kontaktierung, beispielsweise mit einem Kontaktstift oder einer Kontaktnadel durchdrungen werden. Alternativ kann die Schutzschicht aus einer aufgeklebten und abziehbaren Kunststoff-Folie bestehen. Die Kunststoff-Folie kann bereits während der Herstellung des Folienleiters (6) aufgebracht werden und dann bei der Montage vor dem eigentlichen elektrischen Kontaktieren mit dem Kontaktelement (9) entfernt werden. Die Anschlussstelle (7) des Folienleiters (6) kann beispielsweise vorverzinnt sein.
Der Spalt zwischen Substrat (1) und Deckscheibe (2) wird umlaufend mit einer Randversiegelung (14) als Dampfdiffusionssperre versiegelt, vorzugsweise mit einem Kunststoffmaterial, beispielsweise Polyisobutylen. Die hermetische Abdichtung des Randspalts schützt die korrosionsempfindliche photovoltaisch aktive Absorberschicht (4) vor Luftsauerstoff und Feuchtigkeit.
In Figur 3 ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dünnschichtsolarmoduls (20) in einer Ansicht auf die Rückseite (IV) des Substrats (1) dargestellt.
Figur 3A zeigt eine Querschnittszeichnung entlang der Linie C-C aus Figur 3. Ein Sammelleiter (1 1) ist über eine elektrische Leitungsverbindung (19) mit der Rückelektrodenschicht (3) verbunden. Der Sammelleiter (1 1) enthält beispielsweise ein Aluminiumband mit einer Breite von 3 mm bis 5 mm und einer Dicke von 0,1 mm bis 0,2 mm. Der Sammelleiter (11 ) ist in seiner Erstreckungsrichtung entlang der langen Seite des Dünnschichtsolarmoduls (20) angeordnet. Die elektrische Leitungsverbindung (19) zwischen dem Sammelleiter (1 1) und der Rückelektrodenschicht (3) erfolgt bei Sammelleitern (1 1) aus Aluminium vorzugsweise durch Ultraschallbonden. Die elektrisch leitende Schicht (6.1 ) des Folienleiters (6) ist über eine elektrische Leitungsverbindung (16) mit dem Sammelleiter ( ) verbunden. Der Folienleiter (6) wird aus dem Verbund von Substrat (1), Zwischenschicht (5) und Deckscheibe (2) heraus und um den Rand (12) des Substrats (1) herumgeführt. Die elektrisch leitende Schicht (6.1 ) des Folienleiters (6) enthält beispielsweise ein Aluminiumband mit einer Breite von 20 mm und einer Dicke von 0, 1 mm. Die elektrisch isolierende Folie (6.2) des Folienleiters (6) enthält beispielsweise eine Kunststoff-Folie aus Polyimid mit einer Breite von 25 mm und einer Dicke von 0,02 mm. Außerdem weist der Folienleiter (6) außerhalb des Verbunds eine von der Kunststoff- Folie des Folienleiters (6) und der thermoplastischen Zwischenschicht (5) verschiedene Schutzschicht (17) auf, beispielsweise eine Schichtfolge aus Polyvinyfluorid/Polyester/Polyvinylfluorid mit einer Gesamtdicke von 0,5 mm. Die Schichtfolge wird beispielsweise über eine Schicht aus Ethylenvinylacetat mit der Oberfläche des Substrats (1) verklebt. Die Schutzschicht (17) schützt den Folienleiter dauerhaft vor mechanischen Beschädigungen. Die Schutzschicht (17) schützt den Randspalt zwischen Substrat (1 ) und Deckscheibe (2) an der Austrittsstelle des Folienleiters (6) zusätzlich vor eindringender Feuchtigkeit. Die Schutzschicht (17) überspannt zu diesem Zweck die Austrittsstelle des Folienleiters (6) zwischen Substrat
(1) und Deckscheibe (2). Hierbei ist die Schutzschicht (17) sowohl mit der Deckscheibe
(2) in deren im Vergleich zum Substrat (1) überstehenden Rand als auch mit dem Substrat (1) fest verbunden. Die Schutzschicht (17) erstreckt sich bis in das Anschlussgehäuse (8) hinein und ist dort insbesondere im Bereich der Anschlussstelle (7) des Folienleiters (6) mit diesem verbunden.
Die Erfindung ist in keinster Weise auf die Kontaktierung der Rückelektrodenschicht (3) beschränkt. In einer alternativen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dünnschichtsolarmoduls werden der resultierende positive und der resultierende negative Spannunganschluss des Dünnschichtsolarmoduls über die Frontelektrodenschicht (22) geführt und dort elektrisch kontaktiert. Alternativ kann ein Spannungsanschluss über die Rückelektrodenschicht (3) und der zweite Spannungsanschluss über die Frontelektrodenschicht (22) erfolgen.
Figur 3B zeigt eine Querschnittszeichnung entlang der Linie C-C aus Figur 3 einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dünnschichtsolarmoduls (20). Ein Sammelleiter (1 1) ist über eine elektrische Leitungsverbindung (27) mit der Frontelektrodenschicht (22) verbunden. Die elektrisch leitende Schicht (6.1) des Folienleiters (6) ist über eine elektrische Leitungsverbindung (16) mit dem Sammelleiter (11) verbunden. Der Folienleiter (6) wird aus dem Verbund von Substrat (1), Zwischenschicht (5) und Deckscheibe (2) heraus und um den Rand (12) des Substrats (1) herumgeführt. Die elektrisch isolierende Folie (6.2) des Folienleiters (6) ist bevorzugt mit der Deckscheibe (2) verklebt. Die Verklebung verhindert das Eindringen von Feuchtigkeit in das Innere des Dünnschichtsolarmoduls (20) und damit die Korrosion der photovoltaisch aktiven Absorberschicht (4).
Figur 3C zeigt eine weitere Ausgestaltung des Dünnschichtsolarmoduls (20) von Figur 3, bei welcher wiederum der Folienleiter (6) aus dem Verbund von Substrat (1), Zwischenschicht (5) und Deckscheibe (2) heraus und um den Rand (12) des Substrats (1) herumgeführt ist. Hierbei wird der Spalt zwischen Substrat (1) und Deckscheibe (2) umlaufend mit einer Randversiegelung (14) als Dampfdiffusionssperre versiegelt, die sich beidseitig des Folienleiters (6) befindet. Die hermetische Abdichtung des Randspalts zum Schutz der korrosionsempfindlichen photovoltaisch aktiven Absorberschicht (4) vor Luftsauerstoff und Feuchtigkeit kann somit noch weiter verbessert werden.
In Figur 4 ist eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dünnschichtsolarmoduls (20) in einer Ansicht auf die Rückseite (IV) des Substrats (1) dargestellt. Die Anschlussgehäuse (8) und (8') weisen jeweils ein zusätzliches Schutzelement (28) auf. Figur 4A zeigt eine Querschnittszeichnung entlang der Linie D-D aus Figur 4. Das zusätzliche Schutzelement (28) ist im Bereich der Austrittsstelle des Folienleiters (6) aus dem Verbund von Substrat (1), Zwischenschicht (5) und Deckscheibe (2) angeordnet. Das Schutzelement (28) kann aus demselben Material wie das Anschlussgehäuse (8), beispielsweise aus einem Kunststoff, bestehen und bereits bei der Herstellung des Anschlussgehäuses (8) integriert werden. Alternativ kann das Schutzelement (28) ein zusätzliches Bauteil sein, das mit dem Anschlussgehäuse (8) verbunden ist. In diesem nichteinschränkenden Beispiel ragt das Schutzelement (28) nicht über den Seitenrand (13) der Deckscheibe (2) hinaus. Das Schutzelement kann zusätzlich mit dem Seitenrand (12) des Substrats (1) und der Rückseite (II) der Deckscheibe (2) verklebt sein. Der Hohlraum (29) zwischen Schutzelement (28) und Substrat (1) wird zur Feuchtigkeitsisolation bevorzugt mit einem Dichtmittel gefüllt, beispielsweise mit Polyisobutylen.
Figur 4B zeigt eine Querschnittszeichnung eines erfindungsgemäßen Solarmoduls (20) in einer vereinfachten Darstellung. Die photovoltaisch aktive Absorberschicht (4) ist in Substratkonfiguration über die Rückelektrodenschicht (4) mit dem Substrat (1) verbunden. Die Folienleiter (6) und (6') sind um die Seitenränder (12) und (12') des Substrats (1) herum angeordnet. Zwei Anschlussgehäuse (8) und (8') sind auf der Rückseite (IV) des Substrats (1) angeordnet. Jedes Anschlussgehäuse (8) und (8') weist eine hier nicht dargestellte elektrische Leitungsverbindung zwischen dem jeweiligen Folienleiter (6) und (6') und einem Kontaktelement auf. Jedes Anschlussgehäuse (8) und (8') weist ein Schutzelement (28) auf, das die Folienleiter (6) und (6') an ihrer Austrittsstelle aus dem Verbund aus Substrat (1), Zwischenschicht (5) und Deckscheibe (2) schützt.
Figur 4C zeigt eine Querschnittszeichnung eines erfindungsgemäßen Solarmoduls (20) in einer vereinfachten Darstellung. Die photovoltaisch aktive Absorberschicht (4) ist in Superstratkonfiguration mit der Deckscheibe (2) verbunden. Die Folienleiter (6) und (6') sind um die Seitenränder (12) und (12') des Substrats (1) herum angeordnet. Zwei Anschlussgehäuse (8) und (8') sind auf der Rückseite (IV) des Substrats (1) angeordnet. Jedes Anschlussgehäuse (8) und (8') weist ein Schutzelement (28) auf, das die Folienleiter (6) und (6') an ihrer Austrittsstelle aus dem Verbund aus Substrat (1), Zwischenschicht (5) und Deckscheibe (2) schützt.
Figur 5 zeigt eine Querschnittszeichnung eines erfindungsgemäßen Solarmoduls (20) in einer vereinfachten Darstellung. Die photovoltaisch aktive Absorberschicht (4) ist in Substratkonfiguration über die Rückelektrodenschicht (4) mit dem Substrat (1) verbunden. Die Folienleiter (6) und (6') sind um die Seitenränder (13) und (13') der Deckscheibe (2) herum angeordnet. Zwei Anschlussgehäuse (8) und (8') sind auf der Vorderseite (I) der Deckscheibe (2) angeordnet.
Figur 6 zeigt eine Querschnittszeichnung eines erfindungsgemäßen Solarmoduls (20) in einer vereinfachten Darstellung. Die photovoltaisch aktive Absorberschicht (4) ist in Superstratkonfiguration mit der Deckscheibe (2) verbunden. Die Folienleiter (6) und (6') sind um die Seitenränder (13) und (13') der Deckscheibe (2) herum angeordnet. Die Folienleiter (6) und (6') sind um die Seitenränder (13) und (13') der Deckscheibe (2) herum angeordnet. Zwei Anschlussgehäuse (8) und (8') sind auf der Vorderseite (I) der Deckscheibe (2) angeordnet.
Figur 7 zeigt eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Dünnschichtsolarmoduls (20), wobei die zwei Folienleiter (6) und (6') auf der Rückseite (IV) des Substrats (1) in ein gemeinsames Anschlussgehäuse (8) zusammengeführt sind. Das Anschlussgehäuse (8) ist in diesem Beispiel in der Mitte der Rückseite (IV) des Substrats (1) angeordnet. Das Anschlussgehäuse (8) kann an einer beliebigen Stelle der Rückseite (IV) des Substrats (1) oder auf dem Seitenrand (12) des Substrats (1) angeordnet sein.
In diesem Ausführungsbeispiel werden der positive und der negative Spannungsanschluss des Solarmoduls (20) über zwei Folienleiter (6) und (6') und ein Anschlussgehäuse (8) elektrisch kontaktiert.
Figur 7A zeigt eine Querschnittszeichnung eines erfindungsgemäßen Solarmoduls (20) in einer vereinfachten Darstellung. Die photovoltaisch aktive Absorberschicht (4) ist in Substratkonfiguration über die Rückelektrodenschicht (3) mit dem Substrat (1) verbunden. Die Folienleiter (6) und (6') sind um die Seitenränder (12) und (12') des Substrats (1) herum angeordnet. Das Anschlussgehäuse (8) ist auf der Rückseite (IV) des Substrats (1) angeordnet. Das Anschlussgehäuse (8) weist zwei hier nicht dargestellte elektrische Leitungsverbindungen zwischen dem jeweiligen Folienleiter (6) und (6') und je einem Kontaktelement auf.
Figur 7B zeigt eine Querschnittszeichnung eines erfindungsgemäßen Solarmoduls (20) in einer vereinfachten Darstellung. Die photovoltaisch aktive Absorberschicht (4) ist in Superstratkonfiguration mit der Deckscheibe (2) verbunden. Die Folienleiter (6) und (6') sind um die Seitenränder (12) und (12') des Substrats (1) herum angeordnet. Das Anschlussgehäuse (8) ist auf der Rückseite (IV) des Substrats (1) angeordnet. Das Anschlussgehäuse (8) weist zwei hier nicht dargestellte elektrische Leitungsverbindungen zwischen dem jeweiligen Folienleiter (6) und (6') und je einem Kontaktelement auf. Figur 8A zeigt ein Flussdiagramm der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte zur Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls (20) mit Substratkonfiguration und Anordnung des Anschlussgehäuses (8) auf der Rückseite (IV) des Substrats (1).
Figur 8B zeigt ein Flussdiagramm der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte zur Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls (20) mit Substratkonfiguration und Anordnung des Anschlussgehäuses (8) auf der Vorderseite (I) der Deckscheibe (2).
Figur 8C zeigt ein Flussdiagramm der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte zur Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls (20) mit Superstratkonfiguration und Anordnung des Anschlussgehäuses (8) auf der Rückseite (IV) des Substrats (1).
Figur 8D zeigt ein Flussdiagramm der erfindungsgemäßen Verfahrensschritte zur Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls (20) mit Superstratkonfiguration und Anordnung des Anschlussgehäuses (8) auf der Vorderseite (I) der Deckscheibe (2).
In Figur 9 ist ein Dünnschichtsolarmodul (20) nach dem Stand der Technik in einer Ansicht auf die Rückseite (IV) des Substrats (1) dargestellt. Das Substrat (1) weist zwei lochförmige Aussparungen (26) und (26') auf, die oberhalb der Sammelleiter (1 1) und (11 ') angeordnet sind. Durch die lochförmigen Aussparungen (26) und (26') werden die Sammelleitern (11) und (11 ') beispielsweise durch ein hier nicht dargestelltes Kontaktelement elektrisch kontaktiert. Die lochförmigen Aussparungen (26) und (26') schwächen die mechanische Stabilität des Substrats (1).
Das erfindungsgemäße Dünnschichtsolarmodul (20) weist einige Vorteile im Vergleich zu Dünnschichtsolarmodulen nach dem Stand der Technik auf: So treten beim Einbringen der lochförmigen Aussparungen (26) und (26') in gläserne Substrate (1) von Dünnschichtsolarmodulen nach dem Stand der Technik bei etwa 3 % der Substrate (1) Brüche oder Abplatzungen auf, so dass diese Substrate (1) verworfen werden müssen. Bei erfindungsgemäßen Dünnschichtsolarmodulen (20) entfällt dieser Prozessschritt.
Des Weiteren wurden in einem Versuch 100 Dünnschichtsolarmodule (20) entsprechend der Norm IEC61646, 2. Ed. mit einer simulierten maximalen Schneelast von 5400 Pa belastet. Bei 5% der Dünnschichtsolarmodule (20) mit lochförmigen Aussparungen (26) und (26') nach dem Stand der Technik fand ein Substratbruch statt. Die Bruchlinie begann dabei im Bereich um die lochförmigen Aussparungen und breitete sich von dort aus weiter aus. Bei erfindungsgemäßen Dünnschichtsolarmodulen (20) fand unter gleichen Belastungsbedingungen in keinem der Fälle ein Substratbruch statt.
Dieses Ergebnis war für den Fachmann unerwartet und überraschend.
Es zeigen:
(1) Substrat
(2) Deckscheibe
(3) Rückelektrodenschicht
(4) photovoltaisch aktive Absorberschicht
(5) Zwischenschicht, thermoplastische Zwischenschicht
(6) , (6') Folienleiter
(6.1) , (6.1 ') elektrisch leitfähige Schicht von (6)
(6.2) , (6,2') elektrisch isolierende Folie von (6)
(7) Anschlussstelle
(8) , (8') Anschlussgehäuse
(9) , (9') Kontaktelement, Federkontaktelement, Zuleitung
(10) elektrische Leitungsverbindung zwischen (6) und (9)
(1 1) , (11 ') Sammelleiter
(12) , (12') Seitenrand von (1)
(13) , (13') Seitenrand von (2)
(14) Randversiegelung
(15) elektrische Leitungsverbindung zwischen (6) und (3)
(16) elektrische Leitungsverbindung zwischen (6) und (11)
(17) , (17') Schutzschicht von (6)
(18) Dichtmittel
(19) elektrische Leitungsverbindung zwischen (1 1) und (3)
(20) Solarmodul, Dünnschichtsolarmodul
(20.1), (20.2) Solarzelle
(21) Pufferschicht
(22) Frontelektrodenschicht
(23) Halbleiterschicht
(24.1), (24.2), (24.3) Unterteilung
(25) Bereich von (3)
(26) , (26') lochförmige Aussparung
(27) elektrische Leitungsverbindung zwischen (1 1) und (22)
(28) Schutzelement
(29) Hohlraum 1 Vorderseite von (2)
II Rückseite von (2)
III Vorderseite von (1)
IV Rückseite von (1)
A-A' Schnittlinie
B-B' Schnittlinie
C-C Schnittlinie
D-D' Schnittlinie
E-E' Schnittlinie
R Rückschnitt

Claims

Patentansprüche
Solarmodul mit Anschlusselement, mindestens umfassend:
a) übereinander angeordnet ein Substrat (1), eine Rückelektrodenschicht (3), eine photovoltaisch aktive Absorberschicht (4) und eine Deckscheibe (2), wobei die photovoltaisch aktive Absorberschicht (4) mit der
Rückelektrodenschicht (3) teilweise elektrisch leitend verbunden ist und auf der zur Rückelektrodenschicht (3) abgewandten Seite eine
Frontelektrodenschicht (22) aufweist und das Substrat (1) auf der
Vorderseite (III) mit mindestens einer Zwischenschicht (5) flächenmäßig mit der Rückseite (II) der Deckscheibe (2) verbunden ist,
b) mindestens einen vorgefertigten Folienleiter (6), der mindestens eine
elektrisch leitfähige Schicht (6.1) und eine elektrisch isolierende Folie (6.2) umfasst und der mit der Rückelektrodenschicht (3) und/oder
Frontelektrodenschicht (22) elektrisch leitend verbunden ist und eine Anschlussstelle (7) zur elektrischen Kontaktierung aufweist und
c) mindestens ein Anschlussgehäuse (8), das mindestens eine elektrische Leitungsverbindung (10) zwischen einem Kontaktelement (9) und der Anschlussstelle (7) des Folienleiters aufweist,
wobei
der Folienleiter (6) um den Seitenrand (12) des Substrats (1) herum angeordnet ist und der Folienleiter (6) und das Anschlussgehäuse (8) auf der Rückseite (IV) des Substrats (1) befestigt sind, oder
der Folienleiter (6) um den Seitenrand (13) der Deckscheibe (2) herum angeordnet ist und der Folienleiter (6) und das Anschlussgehäuse (8) auf der Vorderseite (I) der Deckscheibe (2) befestigt sind.
Solarmodul nach Anspruch 1 , wobei das Substrat (1) auf der Vorderseite (III) die Rückelektrodenschicht (3) aufweist.
Solarmodul nach Anspruch 1 , wobei die Deckscheibe (2) auf der Rückseite (II) die photovoltaisch aktive Absorberschicht (4) aufweist.
4. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Folienleiter (6) über einen Sammelleiter (11) mit der Rückelektrodenschicht (3) und/oder
Frontelektrodenschicht (22) verbunden ist.
5. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Folienleiter (6)
und/oder der Sammelleiter (1 1) ein Metall, bevorzugt Aluminium, Silber oder Kupfer enthält.
6. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die
Rückelektrodenschicht (3) ein Metall, bevorzugt Molybdän, Titan- oder
Tantalnitridverbindungen und die Frontelektrodenschicht (22) einen n-leitenden Halbleiter, bevorzugt Aluminium-dotiertes Zinkoxid oder Indium-Zinnoxid enthält.
7. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die photovoltaisch aktive Absorberschicht (4) amorphes, mikromorphes oder polykristallines Silizium, Cadmium-Tellurid (CdTe), Gallium-Arsenid (GaAs) oder Kupfer- lndium(Gallium)-Schwefel/Selen (CI(G)S) enthält.
8. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das Substrat (1) und/oder die Deckscheibe (2) Glas, bevorzugt mit einer Dicke von 1 ,5 mm bis 10 mm enthält und/oder die Zwischenschicht (4) ein thermoplastisches Material, bevorzugt Polyvinylbutyral oder Ethylenvinylacetat mit einer Dicke von 0,3 mm bis 0,9 mm enthält.
9. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Substrat (1)
bezüglich der Deckscheibe (2) einen Rückschnitt R von 0,1 mm bis 20 cm, bevorzugt von 1 mm bis 10 mm aufweist und der Folienleiter (6) ohne
Überstand um den Seitenrand (12) des rückgeschnittenen Substrats (1) verläuft.
10. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Spalt zwischen
Substrat (1) und Deckscheibe (2) durch eine Randversiegelung (14), bevorzugt einem Kleber auf Acryl-, Polyurethan- oder Polyisobutylenbasis abgedichtet ist.
1 1. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei der Folienleiter (6) außerhalb des Verbunds aus Substrat (1), Zwischenschicht (5) und
Deckscheibe (2) zumindest teilweise eine Schutzschicht (17) aufweist, die bevorzugt Polyacryl, Polyurethan, Polyisobutylen, Polyimid, Polyester,
Polyethylen, Polytetrafluorethylen, Polyvinyfluorid, Polyvinylbutyral,
Polyethylennaphthalat, Ethylenvinylacetat, Silikon oder Kombinationen davon enthält.
12. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , wobei das Innere des
Anschlussgehäuses (8) durch ein Dichtmittel (18), bevorzugt einen Kleber auf Acryl-, Polyurethan- oder Polyisobutylenbasis abgedichtet ist.
13. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die elektrischen
Leitungsverbindungen (10), (15), (16) und/oder (19) Löt-, Schweiß-, Bond-, Klemm- oder Klebeverbindungen aufweisen.
14. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei mindestens zwei
vorgefertigte Folienleiter (6, 6') auf der Rückseite (IV) des Substrats (1) in dem Anschlussgehäuse (8) mit mindestens zwei Kontaktelementen (9,9') elektrisch leitend verbunden sind.
15. Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls mit Anschlusselement nach einem der Ansprüche 1 , 2 und 4 bis 14, wobei mindestens:
a) eine Rückelektrodenschicht (3) auf die Vorderseite (III) eines Substrats (1) aufgebracht wird und auf die Rückelektrodenschicht (3) eine
Halbleiterschicht (23), eine Pufferschicht (21) und eine
Frontelektrodenschicht (22) nachfolgend aufgebracht werden, b) eine elektrisch leitfähige Schicht (6.1) eines vorgefertigten Folienleiters (6) mit der Rückelektrodenschicht (3) und/oder Frontelektrodenschicht (22) elektrisch leitend verbunden wird,
c) das Substrat (1) und eine Deckscheibe (2) mit einer Zwischenschicht (5) unter Einwirkung von Hitze, Vakuum und/oder Druck verbunden werden und
d) der vorgefertigte Folienleiter (6) um den Seitenrand ( 2) des Substrats (1) herumgelegt und auf der Rückseite (IV) des Substrats (1) befestigt wird, ein Anschlussgehäuse (8) mit mindestens einem Kontaktelement (9) auf der Rückseite (IV) des Substrats (1 ) befestigt wird und das Kontaktelement (9) mit der Anschlussstelle (7) des Folienleiters (6) elektrisch leitend verbunden wird, oder
e) der Folienleiter (6) um den Seitenrand (13) der Deckscheibe (2)
herumgelegt und auf der Vorderseite (I) der Deckscheibe (2) befestigt wird, ein Anschlussgehäuse (8) mit mindestens einem Kontaktelement (9) auf der Vorderseite (I) der Deckscheibe (2) befestigt wird und das Kontaktelement (9) mit der Anschlussstelle (7) des Folienleiters (6) elektrisch leitend verbunden wird.
Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls mit Anschlusselement nach einem der Ansprüche 1 und 3 bis 14, wobei mindestens:
a) eine Frontelektrodenschicht (22) auf die Rückseite (II) einer
Deckscheibe (2) aufgebracht wird und auf die Frontelektrodenschicht (22) eine Pufferschicht (21 ), eine Halbleiterschicht (23) und eine
Rückelektrodenschicht (3) nachfolgend aufgebracht werden,
b) eine elektrisch leitfähige Schicht (6.1) eines vorgefertigten Folienleiters (6) mit der Rückelektrodenschicht (3) und/oder Frontelektrodenschicht (22) elektrisch leitend verbunden wird,
c) das Substrat (1) und eine Deckscheibe (2) mit einer Zwischenschicht (5) unter Einwirkung von Hitze, Vakuum und/oder Druck verbunden werden, d) der vorgefertigte Folienleiter (6) um den Seitenrand (12) des Substrats (1) herumgelegt und auf der Rückseite (IV) des Substrats (1 ) befestigt wird, ein Anschlussgehäuse (8) mit mindestens einem Kontaktelement (9) auf der Rückseite (IV) des Substrats (1) befestigt wird und das Kontaktelement (9) mit der Anschlussstelle (7) des Folienleiters (6) elektrisch leitend verbunden wird, oder
e) der vorgefertigte Folienleiter (6) um den Seitenrand (13) der
Deckscheibe (2) herumgelegt und auf der Vorderseite (I) der
Deckscheibe (2) befestigt wird, ein Anschlussgehäuse (8) mit mindestens einem Kontaktelement (9) auf der Vorderseite (I) der Deckscheibe (2) befestigt wird und das Kontaktelement (9) mit der Anschlussstelle (7) des Folienleiters (6) elektrisch leitend verbunden wird.
17. Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls mit Anschlusselement nach Anspruch 15 oder 16, wobei nach Schritt (a) ein Sammelleiter (11) mit der Rückelektrodenschicht (3) und/oder Frontelektrodenschicht (22) elektrisch leitend verbunden wird und in Schritt (b) der vorgefertigte Folienleiter (6) mit dem Sammelleiter (1 1) elektrisch leitend verbunden wird.
18. Verwendung eines Anschlusselements nach einem der Ansprüche 1 bis 14 in Solarmodulen, bevorzugt in Dünnschichtsolarmodulen.
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