WO2012175260A1 - Solarzelle sowie verfahren und anordnung zur herstellung einer solchen - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a solar cell, in particular crystalline type silicon solar cell, and to a method and an arrangement for the production thereof.
- a significant proportion of the cost of a solar cell is attributable to the Si wafer, which usually has a thickness of 0.16-0.18 mm.
- the Si wafer which usually has a thickness of 0.16-0.18 mm.
- the thickness of the material consumption By reducing the thickness of the material consumption and thus the costs can be significantly reduced.
- a reduction in the thickness of the mechanically sensitive crystalline solar cells leads to a significant increase in the breakage rate, in particular in the course of further processing of the solar cells into solar modules.
- a break can still be made, which may require costly and expensive repairs or, in the worst case, a rejection of the entire module as a committee. This will become possible Cost advantages are largely consumed by the aforementioned material savings, or it comes even to an increase in costs.
- DE 10 2007 038 240 A1 discloses a method and a system for producing a solar module, which comprise an encapsulation of solar cells forming a solar module in a plastic (plastisol) or corresponding system components. This is a solution in the field of module production, which is stored downstream of the solar cell production and in which a mechanical and electrical connection of many solar cells to a new functional unit (the module) takes place.
- Stiffening layer allows the use of thin wafers and thus opens up a cost-saving potential in cell production.
- some of the cell designs require significantly thinner wafers that can be deployed with the proposed solution, without an unacceptable reject rate and associated cost increases.
- cells more sensitive to breakage become easier to process. Ultimately, too the string committee or the module committee are reduced during production.
- the stiffening layer is formed by a paint or rigid plastic coating which is produced "in situ" from a liquid or pasty starting material on the cell
- the stiffening layer is formed by a laminated plastic film, which is used as a stacked plastic coating. It is essential in both variants to achieve a certain predetermined stiffness of the additional layer, which restricts unwanted bends or twists of the finished solar cell during subsequent assembly processes, including the associated handling, much more than is possible by the inherent rigidity of the thin crystal disk would.
- the stiffening layer arranged on the front side is highly transparent at least in the photoelectric sensitivity range of the solar cell material. This can be achieved by applying a clearcoat material or even a tinted clearcoat material or by laminating a clear or suitably tinted film, wherein a suitable desired tinting of the front-side stiffening layer additionally achieves a certain desired filter effect.
- Stiffening layer electrically insulating.
- a solar cell has a plurality of debilitating breakthroughs in the crystalline material, and is particularly of the MWT type.
- the multitude of weakening points at Such solar cells significantly increases the risk of breakage and therefore sets a reduction in the thickness of the semiconductor substrate even narrower limits than in other versions of crystalline solar cells.
- Cost savings through material savings can also be achieved for this particular cell type.
- advantageous techniques can be used which are known per se and are available on the plant side and which are already partially established - for another purpose - in solar cell production.
- other application methods used in semiconductor technology such as spin-coating, rolling, knife coating or curtain coating, come into consideration.
- Coating material and layer thickness are selected according to the mechanical parameters to be achieved, but also in terms of cost and, if necessary, with regard to one or more of the additional effects mentioned above (filter effect on the front, insulation effect on the back, etc.).
- a liquid or pasty applied layer must be dried or cured after application, wherein the proportion of different physical processes of drying and curing in the overall process of forming the finished stiffening layer depending on the selected layer material can vary greatly.
- photochemical crosslinking during curing will be in the foreground, whereas thermal coating (for example in a paternoster or continuous furnace) or simply cooling after hot application will primarily follow a coating with a conventional liquid plastic.
- thermal coating for example in a paternoster or continuous furnace
- simply cooling after hot application will primarily follow a coating with a conventional liquid plastic.
- the components of a plant for carrying out the process according to the invention are to be put together depending on its specifics; Typically, this system will comprise a layer application device for applying a liquid or pasty starting material, or designed as a laminating device for pressing on a plastic film.
- a drying and / or crosslinking device which produces either predominantly medium or long-wave IR radiation or radiation from the UV region into the region of the near infrared and act on the solar cell surface.
- 1A to 1D are schematic cross-sectional representations of crystalline
- Fig. 2 is a perspective plan view of the back of a solar cell according to the invention of the MWT type.
- Fig. 1A shows - as well as the figures 1B to 1D merely as a schematic, uneven sketch - a layer structure of a conventional crystalline solar cell 1A of the silicon type with a silicon substrate Si 3 and a front and back screen printing layer 5 and 7, respectively to provide front-side or back-side contact.
- FIG. 1B shows that, in a first solar cell 1B according to the invention, this conventional structure is provided by a rear-side lacquer layer or plastic layer 9 mechanical stiffening is added.
- FIG. 1C shows, as a further solar cell according to the invention, one in which the conventional structure according to FIG. 1A is supplemented by a transparent, mechanically stiffening front-side coating 11.
- FIG. 1D shows a solar cell 1D which, in addition to the conventional layer structure 7/3/5, has both a stiffening and electrically insulating rear side coating 9 and a transparent and additionally stiffening front side coating 11.
- FIG. 2 shows a rear (perspective) plan view of a metal wrap-through (MWT) Si solar cell 1 having a plurality of openings (not separately indicated) for front-side contacting.
- the cell 1 is in its state before execution of a corresponding soldering process, but with the functional layer structure over the entire surface covering,
Abstract
Die Erfindung betrifft eine Solarzelle (1, 1B, 1C, 1D) vom kristallinen Typ, wobei eine Versteifungsschicht (9, 11) auf der Rückseite und/oder Vorderseite, über sämtlichen Funktionsschichten zur Realisierung der Solarzellenfunktion, vorgesehen ist. Ferner wird ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Solarzelle (1, 1B, 1C, 1D) und eine Anordnung zur Herstellung einer solchen Solarzelle (1, 1B, 1C, 1D) beschrieben.
Description
Beschreibung Titel
Solarzelle sowie Verfahren und Anordnung zur Herstellung einer solchen
Die Erfindung betrifft eine Solarzelle, insbesondere Silizium-Solarzelle vom kristallinen Typ, sowie ein Verfahren und eine Anordnung zu deren Herstellung.
Stand der Technik
Anlagen zur direkten Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie, sogenannte Photovoltaik-Anlagen, sind mit Unterstützung durch großzügige staatliche Subventionen in einigen europäischen Ländern binnen weniger Jahre in nennenswertem Umfang zu Stromproduzenten geworden, und zugleich hat sich mit ihnen ein wichtiger Hochtechnologie-Markt etabliert. Aufgrund der höheren Ausbeute gegenüber anderen Solarzellen-Typen dominieren in diesem Markt nach wie vor (ein-)kristalline Solarzellen auf Silizium-Basis, die aus Si-Wafern hergestellt werden. Infolge des Entstehens von Fertigungsstätten in Niedriglohnländern sowie der Zurückführung der staatlichen Förderung unterliegt der gesamte Markt und somit auch die Herstellung von Solarmodulen und ganzen Anlagen auf Si-Basis zunehmendem Preisdruck.
Ein erheblicher Anteil der Kosten einer Solarzelle entfällt auf den Si-Wafer, der üblicherweise eine Dicke von 0,16-0,18 mm hat. Durch eine Reduzierung der Dicke können der Materialverbrauch und damit die Kosten signifikant gesenkt werden. Eine solche Verringerung der Dicke der mechanisch ohnehin empfindlichen kristallinen Solarzellen führt jedoch zu einem deutlichen Anstieg der Bruchrate, insbesondere im Zuge der Weiterverarbeitung der Solarzellen zu Solarmodulen. Bei den Prozessen im Modulbau kann es auch in späten Herstel- lungsschritten noch zu einem Bruch kommen, der technisch und kostenseitig aufwendige Reparaturen oder schlimmstenfalls ein Verwerfen des ganzen Moduls als Ausschuss erforderlich machen kann. Hierdurch werden mögliche
Kostenvorteile durch die erwähnte Materialeinsparung weitgehend aufgezehrt, oder es kommt sogar zu einer Kostensteigerung.
Aus der DE 44 15 132 C2 ist ein Verfahren zur formgebenden Bearbeitung von dünnen Wafern und Solarzellen aus kristallinem Silizium bekannt, bei dem der Wafer vor der Bearbeitung ganzflächig mit einer flexiblen mechanischen
Schutzschicht versehen wird, um ihn vor mikroskopischen Beschädigungen und hieraus resultierenden Rissbildungen und Brüchen, speziell beim Biegen mit relativ kleinen Biegeradien, zu schützen. Aus der DE 10 2007 038 240 AI sind ein Verfahren und eine Anlage zur Herstellung eines Solarmoduls bekannt, die eine Verkapselung von gemeinsam ein Solarmodul bildenden Solarzellen in einem Kunststoff (Plastisol) bzw. entsprechende Anlagenkomponenten umfassen. Hierbei handelt es sich um eine Lösung aus dem Bereich der Modulproduktion, welcher der Solarzellenproduktion nach- gelagert ist und in dem eine mechanische und elektrische Verbindung vieler Solarzellen zu einer neuen Funktionseinheit (dem Modul) erfolgt.
Offenbarung der Erfindung Mit der Erfindung, deren Produktmerkmale Gegenstand des Anspruches 1 und deren Verfahrensmerkmale Gegenstand des Anspruches 7 sind, wird eine Verbesserung des Produktionsprozesses der einzelnen Solarzellen oder deren Weiterverarbeitung vorgeschlagen, die eine Verringerung des Ausschusses und Kostensenkungen durch Materialeinsparung ermöglicht.
Der Einsatz einer Lack- bzw. Kunststoffbeschichtung als eine
Versteifungsschicht ermöglicht den Einsatz von dünnen Wafern und eröffnet damit ein Kosteneinsparungspotential bei der Zellenproduktion. Hinzu kommt, dass manche der Zellkonzepte deutlich dünnere Wafer benötigen, die sich mit der vorgeschlagenen Lösung bereitstellen lassen, ohne dass eine inakzeptable Ausschussquote und entsprechende Kostensteigerungen auftreten. Zusätzlich werden bruchempfindlichere Zellen besser verarbeitbar. Letztlich können auch
der Stringausschuss bzw. der Modulausschuss in der Fertigung reduziert werden.
In einer Ausführung der Erfindung ist die Versteifungsschicht durch einen Lackoder steifen Kunststoffüberzug gebildet, der„in situ" aus einem flüssigen oder pastösen Ausgangsmaterial auf der Zelle erzeugt ist. Alternativ ist vorgesehen, dass die Versteifungsschicht durch eine auflaminierte Kunststofffolie gebildet ist, die als Stapel- oder Rollenware vorgefertigt ist. Wesentlich ist in beiden Varianten die Erzielung einer gewissen vorbestimmten Steifigkeit der zusätzlichen Schicht, die unerwünschte Biegungen oder Verdrillungen der fertigen Solarzelle bei nachfolgenden Montageprozessen, einschließlich des zugehörigen Handling, wesentlich stärker einschränkt, als dies durch die Eigensteifigkeit der dünnen Kristallscheibe möglich wäre.
In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist die auf der Vorderseite ange- ordnete Versteifungsschicht mindestens im photoelektrischen Empfindlichkeitsbereich des Solarzellenmaterials hochgradig transparent. Dies kann durch Aufbringen eines Klarlacks oder auch eines getönten Klarlacks oder Auflaminieren einer klaren oder geeignet getönten Folie erreicht werden, wobei sich durch geeignete Tönung der vorderseitigen Versteifungsschicht zusätzlich eine gewis- se erwünschte Filterwirkung erzielen lässt.
In einer weiteren, mit der vorgenannten kombinierbaren aber auch unabhängig hiervon realisierbaren Ausführung ist die auf der Rückseite angeordnete
Versteifungsschicht elektrisch isolierend. Es lässt sich also neben der primär angestrebten Versteifungswirkung der rückseitigen Beschichtung zusätzlich eine (verbesserte) elektrische Isolation schon vor dem Einbau in ein Modul (wo typischerweise eine zusammenhängende isolierende Verkapselung der das Modul bildenden Solarzellen erfolgt) realisieren. Von besonderem Nutzen ist die Ausführung der Erfindung, wenn eine Solarzelle eine Vielzahl von schwächenden Durchbrüchen im kristallinen Material aufweist, und insbesondere vom MWT-Typ ist. Die Vielzahl von Schwächungspunkten bei
derartigen Solarzellen erhöht erheblich die Bruchgefahr und setzt daher einer Verringerung der Dicke des Halbleitersubstrats noch engere Grenzen als bei sonstigen Ausführungen kristalliner Solarzellen. Mit der vorgeschlagenen Struktur lässt sich das in nennenswertem Maße kompensieren, so dass
Kostenvorteile durch Materialeinsparung auch für diesen speziellen Zellentyp erreichbar werden.
Bei der verfahrenstechnischen Realisierung der Erfindung lassen sich vorteilhaft Techniken nutzen, die an sich bekannt und anlagenseitig verfügbar sind und die teilweise - zu anderem Zweck - in der Solarzellenproduktion bereits etabliert sind. So kann das Auftragen der Versteifungsschicht im flüssigen oder pastösen Zustand insbesondere durch ein Siebdruckverfahren erfolgen, wie es auch schon für funktionale Beschichtungen der Solarzellen (Vorderseite und/ oder Rückseite) genutzt wird. Daneben kommen aber auch andere in der Halbleitertechnologie genutzte Auftragsverfahren, wie das Aufschleudern, Aufwal- zen, Aufrakeln oder Vorhanggießen, in Betracht. Beschichtungsmaterial und Schichtdicke werden dabei gemäß den zu erzielenden mechanischen Parametern, aber auch unter Kostenaspekten und ggfs. unter Rücksicht auf einen oder mehrere der weiter oben erwähnten Zusatzeffekte (Filterwirkung auf der Vorderseite, Isolationswirkung auf der Rückseite etc.) gewählt.
Es versteht sich, dass eine flüssig oder pastös aufgetragene Schicht nach dem Auftragen getrocknet bzw. ausgehärtet werden muss, wobei der Anteil der unterschiedlichen physikalischen Vorgänge des Trocknens und Aushärtens am Gesamtprozess der Ausbildung der fertigen Versteifungsschicht in Abhängigkeit vom gewählten Schichtmaterial stark differieren kann. Bei Nutzung typischer Resist-Materialien wird eine fotochemische Vernetzung bei der Aushärtung im Vordergrund stehen, während sich an eine Beschichtung mit einem herkömmlichen Flüssigkunststoff vorrangig eine thermische Trocknung (etwa in einem Paternoster- oder Durchlaufofen) oder auch einfach ein Abkühlen nach heißem Auftrag anschließen wird.
Die Komponenten einer Anlage zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in Abhängigkeit von dessen Spezifika zusammenzustellen; typischerweise wird diese Anlage eine Schichtauftragseinrichtung zum Aufbringen eines flüssigen oder pastösen Ausgangsmaterials, oder ausgebildet als Lami- niereinrichtung zum Aufpressen einer Kunststofffolie, umfassen. Speziell für eine Verfahrensführung, die einen flüssigen oder pastösen Schichtauftrag umfasst, wird zusätzlich eine Trocknungs- und/oder Vernetzungseinrichtung vorgesehen sein, die entweder vorrangig mittel- oder langwellige IR-Strahlung oder aber Strahlung vom UV-Bereich bis in den Bereich des nahen Infrarot erzeugt und auf die Solarzellenoberfläche einwirken lässt.
Zeichnungen
Vorteile und Zweckmäßigkeiten der Erfindung ergeben sich im Übrigen aus der nachfolgenden Erläuterung von Ausführungsbeispielen anhand der Figuren. Von diesen zeigen:
Fig. 1A bis 1D schematische Querschnittsdarstellungen von kristallinen
Solarzellen gemäß dem Stand der Technik (Fig. 1A) bzw.
gemäß der Erfindung (Fig. 1B bis 1D) und
Fig. 2 eine perspektivische Draufsicht auf die Rückseite einer erfindungsgemäßen Solarzelle vom MWT-Typ. Fig. 1A zeigt - wie auch die Figuren 1B bis 1D lediglich als schematische, unmaßstäbliche Skizze - einen Schichtaufbau einer herkömmlichen kristallinen Solarzelle 1A vom Silizium-Typ mit einem Si-Substrat 3 und je einer vorderseitigen und rückseitigen Siebdruckschicht 5 bzw. 7, die speziell zur Bereitstellung einer Vorderseiten- bzw. Rückseitenkontaktierung dient.
Fig. 1B zeigt, dass bei einer ersten erfindungsgemäßen Solarzelle 1B dieser konventionelle Aufbau durch eine rückseitige Lack- bzw. Kunststoffschicht 9 zur
mechanischen Versteifung ergänzt ist. Fig. IC zeigt als weitere erfindungsgemäße Solarzelle eine solche, bei der der konventionelle Aufbau gemäß Fig. 1A um eine transparente, mechanisch versteifende Vorderseiten-Beschichtung 11 ergänzt ist. Fig. 1D schließlich zeigt eine Solarzelle 1D, welche über den konventionellen Schichtaufbau 7/3/5 hinaus sowohl eine versteifende und elektrisch isolierende Rückseitenbeschichtung 9 als auch eine transparente und zusätzlich versteifende Vorderseiten-Beschichtung 11 hat.
Fig. 2 zeigt eine rückseitige (perspektivische) Draufsicht auf eine Si-Solarzelle 1 vom Metal-wrap-through(MWT)-Typ mit einer Vielzahl von (nicht gesondert bezeichneten) Öffnungen, die zur Vorderseiten-Kontaktierung dienen. Die Zelle 1 ist in ihrem Zustand vor Ausführung eines entsprechenden Lötprozesses, aber mit einer die funktionale Schichtstruktur vollflächig überdeckenden,
rückseitigen Versteifungsschicht (nicht gesondert bezeichnet) dargestellt. Es ist leicht einsehbar, dass die zahlreichen Öffnungen die Bruchsicherheit des herkömmlichen Aufbaus bei gegebener Substratdicke erheblich vermindern. Mit der zusätzlich vorgesehenen Versteifungsschicht gelingt eine zumindest teilweise Kompensation dieses Nachteils der MWT-Struktur.
Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.
Claims
1. Solarzelle (1, 1B, IC, 1D) vom kristallinen Typ, mit einer
Versteifungsschicht (9, 11) auf der Rückseite und/oder Vorderseite, über sämtlichen Funktionsschichten zur Realisierung der Solarzellenfunktion.
2. Solarzelle (1, 1B, IC, 1D) nach Anspruch 1,
wobei die Versteifungsschicht (9, 11) durch einen Lack- oder steifen Kunststoffüberzug gebildet ist.
3. Solarzelle (1, 1B, IC, 1D) nach Anspruch 1,
wobei die Versteifungsschicht (9, 11) durch eine auflaminierte
Kunststofffolie gebildet ist.
4. Solarzelle (1, 1B, IC, 1D) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die auf der Vorderseite angeordnete Versteifungsschicht (11) mindestens im fotoelektrischen Empfindlichkeitsbereich des
Solarzellenmaterials hochgradig transparent ist.
5. Solarzelle (1, 1B, IC, 1D) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei die auf der Rückseite angeordnete Versteifungsschicht (9) elektrisch isolierend ist.
6. Solarzelle (1, 1B, IC, 1D) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
welche eine Vielzahl von schwächenden Durchbrüchen im kristallinen Material aufweist, und insbesondere vom MWT-Typ ist.
7. Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle (1, 1B, IC, 1D) nach einem der vorangehenden Ansprüche,
wobei nach funktionsseitiger Fertigstellung der Solarzelle (1, 1B, IC, 1D) ein flüssiges oder pastöses Ausgangsmaterial der oder einer Versteifungsschicht (9, 11) durch Siebdruck oder ein Flüssig- bzw. Pastenbeschichtungsverfahren, wie Aufschleudern, Aufwalzen, Aufrakeln oder Vorhanggießen, aufgebracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7,
wobei ein thermisches Trocknen und/oder Aushärten, insbesondere durch heißen Schichtauftrag mit anschließendem Abkühlen oder in einem Ofendurchlauf, und/oder eine fotochemische Aushärtung ausgeführt wird.
9. Anordnung zur Herstellung einer Solarzelle (1, 1B, IC, 1D) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, mit einer Schichtauftragseinrichtung zum Aufbringen eines flüssigen oder pastösen Ausgangsmaterials der Versteifungsschicht (9, 11) auf die Rückseite und/oder Vorderseite.
10. Anordnung nach Anspruch 9, mit einer der Auftragseinrichtung nachgeschalteten Trocknungseinrichtung, insbesondere einem Ofen, und/oder einer Bestrahlungseinrichtung zur fotochemischen Aushärtung der Versteifungsschicht (9, 11).
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