WO2015027996A1 - Method for producing sub-solar modules using electrically insulating insulation trenches in a thin-layer solar module, and method for producing a thin-layer solar module with such insulation trenches - Google Patents

Method for producing sub-solar modules using electrically insulating insulation trenches in a thin-layer solar module, and method for producing a thin-layer solar module with such insulation trenches Download PDF

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thin film
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Stephan MARSCHALL
Patrick Mende
Andreas KAHN
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Solibro Hi-Tech Gmbh
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Abstract

The invention relates to a method for producing sub-solar modules using electrically insulating insulation trenches in a thin-layer solar module made of monolithically interconnected thin-layer solar cells, having the following steps: - providing a laser with a laser wavelength, - providing a substrate (1) which is transparent for the laser wavelength, the first side of the substrate (1) having a plurality of monolithically connected thin-layer solar cells consisting of a metal rear electrode thin layer (2), an absorber thin layer (3) arranged on the metal rear electrode thin layer (2), and a front electrode structure (4) arranged on the absorber thin layer, - emitting a laser beam (L) onto the substrate, and - moving the laser beam (L) over the substrate (1) in order to produce at least one insulation trench (11, 12, 13, 14). According to the invention, the laser beam (1) is emitted onto the second side of the substrate (1) and is incident on the metal rear electrode thin layer (2) through the substrate (1), and laser pulses of the laser beam are adjusted in the pico- or femtosecond range such that the metal rear electrode thin layer (2) together with the absorber thin layer (3) arranged on the rear electrode thin layer and the front electrode structure (4) arranged on the absorber thin layer are detached from the substrate (1) along the cutting line (S).

Description

Verfahren zur Herstellung von Sub-Solarmodulen durch elektrisch isolierende Isoliergräben in einem Dünnschichtsolarmodul und Verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls mit derartigen Isoliergräben Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Sub-Solarmodulen durch elektrisch isolierende Isoliergräben in einem Dünnschichtsolarmodul und weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls mit derartigen Isoliergräben. Dünnschichtsolarmodule weisen üblicherweise auf monolithische Weise in Serie verschaltete Dünnschichtsolarzellen auf. Zur Herstellung der monolithischen Verschattung wird eine Folge von Dünnschichten für die Front- und  The invention relates to a method for the production of sub-solar modules by electrically insulating insulating trenches in a thin-film solar module and also to a method for producing a thin-film solar module with such isolation trenches. Thin-film solar modules usually have monolithically connected series-connected thin-film solar cells. For the production of monolithic shading is a series of thin films for the front and
Rückelektrode und für den photovoltaischen Absorber abgeschieden. Nach jeder dieser drei Dünnschicht-Abscheideprozesse erfolgt zunächst ein Rear electrode and deposited for the photovoltaic absorber. After each of these three thin-film deposition processes takes place first
Strukturierungsschritt, um im Ergebnis die monolithische Serienverschaltung der einzelnen und benachbart angeordneten streifenförmigen Structuring step to result in the monolithic series connection of the individual and adjacent arranged strip-shaped
Dünnschichtsolarzellen herzustellen . Produce thin film solar cells.
Diese abwechselnde Folge von Dünnschicht-Abscheidung und Strukturierung ist beispielsweise aus der DE 3129344A1 bekannt. Ebenso ist aus dieser This alternating sequence of thin-layer deposition and structuring is known, for example, from DE 3129344A1. Likewise is from this
Druckschrift bekannt, so genannte Isoliergräben zu erzeugen, die den kompletten Dünnschichtstapel bis zum Substrat durchtrennen. Diese Publication known to produce so-called isolation trenches, which sever the entire thin-film stack to the substrate. These
Isoliergräben verlaufen senkrecht zur Erstreckungsrichtung der Isolation trenches are perpendicular to the extension direction of the
streifenförmigen Dünnschichtsolarzellen. Die Isoliergräben führen somit zu einer Aufteilung des Solarmoduls in eine Mehrzahl benachbarter auf dem gleichen Substrat angeordneter Sub-Solarmodule, die jeweils parallel zueinander geschaltet sind. Dieser Submodul-Aufbau bringt eine Reihe von Vorteilen mit sich. Sollte es im Betrieb eines Dünnschichtsolarmoduls zur partiellen Abschattung der Oberfläche kommen, wirken die abgeschatteten Zellen, die keinen Fotostrom erzeugen, gegenüber den übrigen in Serie geschalteten Zellen als ohmsche Widerstände. Abhängig von der strip-shaped thin-film solar cells. The insulating trenches thus lead to a division of the solar module in a plurality of adjacent arranged on the same substrate sub-solar modules, which are each connected in parallel. This submodule construction brings with it a number of advantages. If, during operation of a thin-film solar module, partial shading of the surface occurs, the shaded cells, which do not generate a photocurrent, act as ohmic resistors compared to the other series-connected cells. Depends on the
Gesamtstromstärke, die durch die in Serie geschalteten Dünnschichtsolarzellen fließt, steigt die Temperatur der als ohmsche Widerstände wirkenden abgeschatteten Solarzellen an, es entstehen so genannte Hotspots. Diese Hotspots reduzieren den Wirkungsgrad des Solarmoduls, können aber auch zu einer lokalen Schädigung des Solarmoduls führen. Durch die Aufteilung des Solarmoduls in eine Mehrzahl von Sub-Modulen wird der Einfluss einer solchen Abschattung oder eines ebenso wirkenden, produktionsbedingten Total current flowing through the series-connected thin-film solar cells, the temperature of the acting as ohmic resistors increases shaded solar cells, resulting in so-called hotspots. These hotspots reduce the efficiency of the solar module, but can also lead to local damage to the solar module. By dividing the solar module into a plurality of sub-modules, the influence of such shading or an equally acting, production-related
Nebenschlusswiderstands (Shunt) auf die Funktion des gesamten Solarmoduls deutlich reduziert.  Shunt resistance to the function of the entire solar module significantly reduced.
Die Isoliergräben können beispielsweise eingeritzt oder mittels Laserstrahlung erzeugt werden. Die Erzeugung derartiger Isoliergräben mittels Laserstrahlung ist beispielsweise aus der US 4,667,058 bekannt. Dazu wird das für die Laser- Wellenlänge transparente Substrat mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite bereitgestellt, wobei die erste Seite des Substrats die Mehrzahl The isolation trenches can be scratched or generated by means of laser radiation, for example. The production of such insulating trenches by means of laser radiation is known for example from US 4,667,058. For this purpose, the substrate for the laser wavelength transparent substrate is provided with a first side and a second side, wherein the first side of the substrate, the plurality
monolithisch verschalteter Dünnschichtsolarzellen aufgebaut aus einer monolithically interconnected thin film solar cells composed of a
Rückelektrodendünnschicht einer auf der Rückelektrodendünnschicht Back electrode thin film on the back electrode thin film
angeordneten Absorberdünnschicht und einer darauf angeordneten arranged absorber thin film and disposed thereon
Frontelektrodenstruktur aufweist. Der Laserstrahl wird auf das Substrat eingestrahlt und der Laserstrahl wird entlang mindestens einer Schneidlinie über das Substrat bewegt und/oder das Substrat relativ zum Laserstrahl bewegt zur Erzeugung mindestens eines Isoliergrabens mittels einer Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat. Having front electrode structure. The laser beam is irradiated onto the substrate and the laser beam is moved over the substrate along at least one cutting line and / or the substrate is moved relative to the laser beam to produce at least one isolation trench by means of a relative movement between laser beam and substrate.
Nachteilig am Einsatz der aus dem Stand der Technik bekannten A disadvantage of the use of known from the prior art
Strukturierungsverfahren mittels Laserstrahlung ist jedoch, dass durch das Aufschmelzen, Verdampfen und Sublimieren der Dünnschichtmaterialien die Gefahr besteht, dass nach dem Kondensieren und Erstarren oder nach dem Resublimieren der Dünnschichtmaterialien an den Flanken der erzeugten Isoliergräben Kurzschlüsse zwischen den Elektrodenschichten auftreten können. Um dieser Gefahr zu begegnen, wird gemäß US 4,667,058 im Anschluss an das Schreiben der Isoliergräben ein Ätzschritt, insbesondere als Plasmaätzschritt, durchgeführt, der die Flanken der Isoliergräben von Rückständen befreit, die einen Kurzschluss oder Nebenschlüsse begünstigen könnten. Die für die Erzeugung von Isoliergräben mittels mechanischer Kratzverfahren benötigten Werkzeuge unterliegen zwangsläufig einem mechanischen Structuring method by means of laser radiation, however, is that the melting, evaporation and sublimation of the thin-film materials there is a risk that after condensation and solidification or after resublimation of the thin-film materials on the flanks of the insulation trenches generated can occur short circuits between the electrode layers. In order to counteract this risk, according to US 4,667,058, following the writing of the insulating trenches, an etching step, in particular as a plasma etching step, is carried out, which frees the edges of the insulating trenches from residues which could promote a short circuit or shunts. The tools required for the production of insulating trenches by means of mechanical scratching methods are inevitably subject to a mechanical
Verschleiß und stellen daher einen signifikanten Kostenfaktor dar. Die mittels Laser erzeugten Isoliergräben erfordern einen nachgelagerten Ätzschritt zur Säuberung der mittels Laserstrahlung erzeugten Flanken stellen ebenfalls einen zusätzlichen Zeit- und Kostenfaktor in der Produktion dar. Wear and thus represent a significant cost factor. The laser-generated isolation trenches require a subsequent etching step to clean the flanks generated by laser radiation also represent an additional time and cost factor in production.
Da die gesamten Produktionsprozesse der Photovoltaik- Industrie unter massivem Kostendruck stehen, liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Verfahren zur Herstellung von Sub-Solarmodulen durch elektrisch isolierende Isoliergräben in einem Dünnschichtsolarmodul und ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls mit derartigen Isoliergräben zu schaffen, die deutlich kostengünstiger sind. Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung von Sub-Solarmodulen mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Since the entire production processes of the photovoltaic industry are under massive cost pressure, the present invention is based on the object to provide a method for producing sub-solar modules by electrically insulating isolation trenches in a thin-film solar module and a method for producing a thin-film solar module with such isolation trenches, which are significantly cheaper. This object is achieved by a method for producing sub-solar modules with the features of claim 1.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Laserstrahl auf die zweite Seite des Substrats eingestrahlt wird, durch das Substrat hindurch auf die metallische Rückelektrodendünnschicht fällt und mit Laserpulsen im Pico- oder im According to the invention, it is provided that the laser beam is irradiated onto the second side of the substrate, falls through the substrate onto the metallic back-electrode thin-film and with laser pulses in the pico or in the
Femtosekundenbereich derart eingestellt ist und die Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat derart ausgeführt wird, dass entlang der Schneidlinie samt der metallischen Rückelektrodendünnschicht die darüber angeordnete Absorberdünnschicht und die darauf angeordnete Frontelektrodenstruktur vom Substrat abgesprengt werden. Als Pico- und Femtosekundenbereich wird der Bereich größer einer Femtosekunde bis kleiner 1000 Picosekunden verstanden. Dieser Wirkmechanismus funktioniert auch, wenn die Frontelektrodenstruktur abschnittsweise eine Schichtdicke im Bereich von mehreren Mikrometern aufweist. Dies ist beispielsweise dann der Fall, wenn die  Femtosecond region is set in such a way and the relative movement between the laser beam and substrate is carried out such that along the cutting line together with the metallic back electrode thin layer above the arranged absorber thin film and the front electrode structure arranged thereon are blasted from the substrate. The pico and femtosecond ranges are understood to be greater than one femtosecond to less than 1000 picoseconds. This mechanism of action also works if the front electrode structure partially has a layer thickness in the range of several micrometers. This is the case, for example, if the
Frontelektrodenstruktur als Kombination einer transparenten Dünnschicht aus einem leitfähigen Oxid und einer darauf netzartig ausgebildeten, dickeren Schicht in Form einer Elektrodensammelstruktur ausgebildet ist. Würde die Laserpulse von der Lichteinfallsseite auf die Elektrodensammelstruktur fallen, so würde diese in diesen Bereichen keine Gräben oder Löcher generieren, die bis zum Glassubstrat reichten. Front electrode structure is formed as a combination of a transparent thin film of a conductive oxide and a mesh-like, thicker layer in the form of an electrode collection structure. Would the laser pulses fall from the light incident side onto the electrode collecting structure, it would not generate ditches or holes in these areas that reached the glass substrate.
Aufgrund der hohen zeitlichen und räumlichen Energiedichte der Laserpulse im Pico- oder Femtosekundenbereich kommt es regelmäßig weder zu einemDue to the high temporal and spatial energy density of the laser pulses in the picosecond or femtosecond range, there is usually neither one
Aufschmelzen noch zu einem Verdampfen von Dünnschichtmaterial im Bereich der Schneidlinie. Die im Bereich des Laserpulses generierte Schockwelle führt zu einem explosionsartigen Ablösen des vollständigen Dünnschichtpaketes, das sich entlang der Bewegungsrichtung der laserinduzierten Schockwelle befindet. Da diese Schockwelle ausgehend von der Grenzfläche Melting even to an evaporation of thin-film material in the region of the cutting line. The shock wave generated in the region of the laser pulse leads to an explosive detachment of the complete thin-film package, which is located along the direction of movement of the laser-induced shockwave. Because this shockwave starting from the interface
Rückelektrodendünnschicht/Substrat nach außen hin gerichtet ist, werden die abgelösten Dünnschicht-Partikel dabei auch nach außen hin vom Substrat weg geschleudert. Zurück bleiben Gräben im Dünnschichtpaket mit Bruchkanten im Wesentlichen ohne Bruch partikel.  Back electrode thin film / substrate is directed outward, the detached thin-film particles are also thrown outwardly away from the substrate. Trenches remain in the thin-film package with break edges essentially without breakage particles.
Entscheidender Parameter ist der zeitliche und räumliche Verlauf der pro Volumen- und Zeiteinheit deponierten Laserenergie. Dies hängt ab von Decisive parameter is the temporal and spatial course of the laser energy deposited per unit of volume and time. This depends on
Parametern wie der Wellenlänge, der Pulsdauer, der Pulsenergie, der Parameters such as the wavelength, the pulse duration, the pulse energy, the
Pulsfrequenz, dem Pulsdurchmesser, Strahlprofil und der Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat. Pulse frequency, the pulse diameter, beam profile and the relative movement between the laser beam and the substrate.
Bevorzugt wird die Laserwellenlänge im nahen Infrarot oder im sichtbaren Spektralbereich gewählt. Mögliche Laserwellenlängen sind beispielsweise 515 nm, 532 nm, 1030 nm, 1047 nm, 1053 nm, 1060 nm, 1064 nm, 1080 nm und 1150 nm. Insbesondere eignen sich Seltenerd-dotierte Festkörperlaser für. Mögliche Laserwellenlängen sind daher deren Grundwellenlängen und höhere Harmonische. Bevorzugt kommt ein gepulster Laser mit Pulsfrequenzen im Bereich von 33,3 bis 400 kHz zum Einsatz. Es ist von Vorteil, dass der Laserstrahl derart bewegt wird, dass ein räumlicher Überlapp aufeinander folgender Laserpulse von 10 bis 95%, bevorzugt von 15% bis 30% entlang der Schneidlinien gewährleistet wird. Dabei werden bevorzugt Pulsenergien pro Laserpuls im Bereich von 5 bis 125 μϋ, bevorzugt im Bereich 20 bis 40 μϋ eingesetzt. Als Pulslängen haben sich Zeiträume von weniger als 20 Picosekunden als vorteilhaft erwiesen. The laser wavelength is preferably selected in the near infrared or in the visible spectral range. Possible laser wavelengths are, for example, 515 nm, 532 nm, 1030 nm, 1047 nm, 1053 nm, 1060 nm, 1064 nm, 1080 nm and 1150 nm. In particular, rare-earth-doped solid-state lasers are suitable for. Possible laser wavelengths are therefore their fundamental wavelengths and higher harmonics. Preferably, a pulsed laser with pulse frequencies in the range of 33.3 to 400 kHz is used. It is advantageous that the laser beam is moved such that a spatial overlap of successive laser pulses of 10 to 95%, preferably 15% to 30% along the cutting lines is ensured. In this case, pulse energies per laser pulse are preferably in the range from 5 to 125 μϋ, preferably in the range 20 to 40 μϋ used. As pulse lengths, periods of less than 20 picoseconds have proved to be advantageous.
Eine vorteilhafte Variante des Verfahren sieht vor, dass das Substrat als Glassubstrat ausgebildet ist und zwischen Rückelektrodendünnschicht und dem Glassubstrat eine Barrieredünnschicht aufweist, wobei der Laserstrahl derart eingestellt ist und die Relativbewegung zwischen Laserstrahl und Substrat derart ausgeführt wird, dass entlang der Schneidlinie eine laserbeeinflusste Barrieredünnschicht auf dem Substrat verbleibt. Diese Barrieredünnschicht ist beispielsweise als Siliziumoxinitridschicht mit einer Stärke von weniger als 150 Nanometern ausgebildet. Mikroskopische Untersuchungen haben gezeigt, dass diese Barrieredünnschicht durch die Laserpulse nur wenig beeinflusst werden. Die verbleibende von der Laserstrahlung beeinflusste Barrieredünnschicht hat im Bereich der Isoliergräben üblicherweise weniger als 10%, bevorzugt nur weniger als 5% seiner Schichtdicke eingebüßt. An advantageous variant of the method provides that the substrate is designed as a glass substrate and has a barrier thin film between the back electrode thin film and the glass substrate, wherein the laser beam is set and the relative movement between laser beam and substrate is carried out such that along the cutting line on a laser-influenced barrier thin film remains the substrate. This barrier thin film is formed, for example, as a silicon oxynitride layer with a thickness of less than 150 nanometers. Microscopic investigations have shown that these barrier thin layers are only slightly influenced by the laser pulses. The remaining barrier film influenced by the laser radiation has usually lost less than 10%, preferably only less than 5%, of its layer thickness in the region of the isolation trenches.
Das Verfahren zur Herstellung von Sub-Solarmodulen kommt bevorzugt zum Einsatz, wenn die Absorberdünnschicht als ternärer oder als quaternärer, beispielsweise aus CIGS- oder CIS-Halbleiter ausgebildet ist. The method for the production of sub-solar modules is preferably used when the absorber thin film is formed as a ternary or as a quaternary, for example, from CIGS or CIS semiconductor.
Für das Herstellungsverfahren ist es von Vorteil, wenn das Substrat rechteckig mit einer ersten Kantenlänge und einer zweiten Kantenlänge, einer Oberkante und einer Unterkante ausgebildet ist, wobei um einen Betrag von 10% bis 15% von der ersten oder der zweiten Kantenlänge beabstandet parallel zur For the manufacturing method, it is advantageous if the substrate is rectangular with a first edge length and a second edge length, a top edge and a bottom edge, spaced by an amount of 10% to 15% of the first or the second edge length parallel to
Oberkante und parallel zur Unterkante ein erster Isoliergraben und ein zweiter Isoliergraben hergestellt wird. Bevorzugt erstrecken sich die in Serie Upper edge and parallel to the lower edge of a first isolation trench and a second isolation trench is made. Preferably, they extend in series
verschalteten Dünnschichtsolarzellen vom Bereich der Oberkante zum Bereich der Unterkante des Substrates. Dabei verlaufen die Isoliergräben senkrecht zu den Strukturierungsgräben für die monolithische Verschattung der interconnected thin-film solar cells from the region of the upper edge to the region of the lower edge of the substrate. The isolation trenches are perpendicular to the structuring trenches for the monolithic shading of
Dünnschichtsolarzellen und durchtrennen beispielsweise alle Thin-film solar cells and cut through all, for example
Dünnschichtsolarzellen bis auf eine parallel und benachbart zur ersten  Thin-film solar cells except for one parallel and adjacent to the first
Kantenlänge angeordneten Dünnschichtsolarzelle, die als erste Kontaktzelle für die sich in Richtung der zweiten Kantenlänge anschließenden parallel geschalteten Sub-Solarmodule dient. Weiterhin dient eine parallel und benachbart zur zweiten Kantenlänge angeordnete Dünnschichtsolarzelle als abschließende zweite Kontaktzelle und der Isoliergraben durchtrennt auch diese zweite Kontaktzelle nicht, sondern endet zuvor. Ebenso ist jedoch denkbar, mit den Isoliergräben sämtliche Dünnschichtsolarzellen elektrisch voneinander zu isolieren. Die elektrische Verschattung der dann erhaltenen Sub-Solarmodule kann dann in Hybridbauweise erfolgen. Edge length arranged thin-film solar cell, the first contact cell for the subsequent in the direction of the second edge length parallel switched sub-solar modules is used. Furthermore, a thin-film solar cell arranged parallel to and adjacent to the second edge length serves as the final second contact cell, and the insulating trench also does not cut through this second contact cell, but ends earlier. However, it is also conceivable to electrically isolate all thin-film solar cells from one another with the insulating trenches. The electrical shading of the sub-solar modules then obtained can then be done in hybrid construction.
Für eine bevorzugte erste Variante des Verfahrens ist vorgesehen, dass ein weiterer Isoliergraben parallel zum ersten und zweiten Isoliergraben mittig zwischen dem ersten und dem zweiten Isoliergraben hergestellt wird. For a preferred first variant of the method it is provided that a further isolation trench is produced parallel to the first and second isolation trenches in the middle between the first and the second isolation trench.
Eine vorteilhafte zweite Variante des Verfahrens sieht vor, dass zwei weitere Isoliergräben parallel zum ersten und zum zweiten Isoliergraben derart zwischen dem ersten und dem zweiten Isoliergraben hergestellt werden, dass der Abstand zwischen den beiden weiteren Isoliergräben gleich groß ist wie der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Isoliergraben zum jeweils benachbarten weiteren Isoliergraben. Für alle vorangehend beschriebenen vorteilhaften Verfahren gilt An advantageous second variant of the method provides that two further isolation trenches are produced parallel to the first and second Isoliergraben between the first and the second Isoliergraben, that the distance between the two further isolation trenches is the same size as the distance between the first and the second isolation trench to each adjacent further isolation trench. For all previously described advantageous method applies
gleichermaßen, dass ein Isoliergraben bevorzugt aus dem parallel equally, that an isolation trench preferably from the parallel
überlappenden Anordnen einer Mehrzahl benachbarter Schneidlinien gebildet wird. Dabei können beispielsweise drei Schneidlinien im Abstand von 25 bis 30 μιη hergestellt werden, so dass ein Isoliergraben mit einer Linienbreite von 75 bis 100 μιη gebildet wird. Ein solcher Isoliergraben bewirkt eine hinreichend starke elektrische Isolierung zwischen den Dünnschicht-Solarzellen der SubModule. overlapping a plurality of adjacent cutting lines is formed. In this case, for example, three cutting lines at a distance of 25 to 30 μιη be prepared, so that an insulating trench with a line width of 75 to 100 μιη is formed. Such an isolation trench causes a sufficiently strong electrical insulation between the thin-film solar cells of the sub-modules.
Weiterhin betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls aufgebaut aus monolithisch miteinander verschalteten Dünnschichtsolarzellen mit Sub-Solarmodulen, die durch elektrisch isolierende Isoliergräben voneinander getrennt sind. Das Verfahren weist folgende Schritte auf: - Bereitstellen eines Substrates mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei die erste Seite des Substrats eine Mehrzahl monolithisch verschalteter Dünnschichtsolarzellen aufgebaut aus einer metallischen Furthermore, the present invention relates to a method for producing a thin-film solar module constructed of monolithically interconnected thin-film solar cells with sub-solar modules, which are separated by electrically insulating isolation trenches. The method comprises the following steps: - Providing a substrate having a first side and a second side, wherein the first side of the substrate, a plurality of monolithically interconnected thin film solar cells constructed of a metallic
Rückelektrodendünnschicht einer auf der metallischen Back electrode thin film one on the metallic one
Rückelektrodendünnschicht angeordneten Absorberdünnschicht und einer darauf angeordneten Frontelektrodenstruktur aufweist, Having the back electrode thin film arranged absorber thin film and a front electrode structure arranged thereon,
- Herstellen mindestens eines Isoliergrabens gemäß einem der vorangehenden beschriebenen Verfahrensvarianten,  Producing at least one insulating trench according to one of the preceding described variants of the method,
- dauerhaft wetterfestes Verkapseln der monolithisch verschalteten  - permanently weatherproof encapsulation of the monolithically interconnected
Dünnschichtsolarzellen mit einem Frontseitenverkapselungselement undThin-film solar cells with a front encapsulation element and
- Anbringen einer dauerhaft wetterfesten elektrischen Solarmodul- Anschlusseinrichtung auf dem Substrat. - Attaching a permanently weatherproof electrical solar module connection device on the substrate.
Zwei Ausführungsbeispiele für die Anordnung von Isoliergräben auf einem Dünnschichtsolarmodul werden anhand der nachfolgenden Figuren näher erläutert. Two exemplary embodiments of the arrangement of insulating trenches on a thin-film solar module will be explained in more detail with reference to the following figures.
Es zeigen: Show it:
Figur 1 : eine rein schematische Darstellung eines ersten Figure 1: a purely schematic representation of a first
Ausführungsform eines Dünnschichtsolarmoduls mit drei horizontalen Isoliergräben;  Embodiment of a thin-film solar module with three horizontal isolation trenches;
Figur 2: eine rein schematische Darstellung einer zweiten  Figure 2: a purely schematic representation of a second
Ausführungsform eines Dünnschichtsolarmoduls mit vier horizontalen Isoliergräben;  Embodiment of a thin-film solar module with four horizontal isolation trenches;
Figur 3: eine schematische, nicht maßstabsgetreue Schnittdarstellung durch das Solarmodul aus Figur 1 entlang der Linie III-III; Figure 3 is a schematic, not to scale, sectional view through the solar module of Figure 1 along the line III-III;
Figur 4: eine schematische, nicht maßstabsgetreue Schnittdarstellung durch das Solarmodul aus Figur 2 entlang der Linie IV- IV undFigure 4 is a schematic, not to scale section through the solar module of Figure 2 along the line IV- IV and
Figur 5: eine schematische, nicht maßstabsgetreue Schnittdarstellung wie in Figur 4, wobei ein Frontseitenverkapselungselement und eine Solarmodul-Anschlusseinrichtung ergänzt sind. In Figur 1 ist eine rein schematische Darstellung eines ersten Ausführungsform eines Dünnschichtsolarmoduls mit drei horizontalen Isoliergräben 11 , 12,13 gezeigt. Die nicht dargestellten monolithisch verschalteten 5 shows a schematic, not to scale, sectional view as in FIG. 4, wherein a front side encapsulation element and a solar module connection device are added. FIG. 1 shows a purely schematic representation of a first embodiment of a thin-film solar module with three horizontal insulating trenches 11, 12, 13. The monolithically interconnected
Dünnschichtsolarzellen sein auf einem rechteckig ausgebildeten Substrat 1 angeordnet. Das Substrat 1 weist eine schmale Oberkante, eine schmale Unterkante und zwei lange Längskanten auf. Die Dünnschichtsolarzellen verlaufen als längliche Streifen im rechten Winkel vom Bereich der schmalen Oberkante zum Bereich der parallelen schmalen Unterkante des Solarmoduls. Ein erster Isoliergraben 11 befindet sich parallel zur schmalen Oberkante des Solarmoduls in einem Abstand, der ungefähr 5 bis 10% des Maßes der langen Längskante aufweist. Der zweite Isoliergraben 12 ist ebenfalls ungefähr 5 bis 10% des Maßes der langen Längskante beabstandet von der schmalen Thin-film solar cells are arranged on a rectangular substrate 1. The substrate 1 has a narrow upper edge, a narrow lower edge and two long longitudinal edges. The thin-film solar cells run as elongated strips at right angles from the region of the narrow upper edge to the region of the parallel narrow lower edge of the solar module. A first isolation trench 11 is located parallel to the narrow upper edge of the solar module at a distance which is approximately 5 to 10% of the dimension of the long longitudinal edge. The second isolation trench 12 is also approximately 5 to 10% of the dimension of the long longitudinal edge spaced from the narrow one
Unterkante des Dünnschicht-Solarmoduls beabstandet angeordnet. Ein dritter Isoliergraben 13 erstreckt sich parallel zu den beiden übrigen Isoliergräben 11 , 12 in der Mitte zwischen diesen beiden. Jeder der drei Isoliergräben 11 ,12, 13 durchtrennt dabei alle Dünnschichtsolarzellen bis auf die äußersten beiden, die jeweils benachbart zu den beiden langen Längskanten des Substrates 1 angeordnet sind. Diese beiden äußersten Dünnschichtsolarzellen dienen als so genannte Kontaktzellen, die die parallele Verschattung der durch die Lower edge of the thin-film solar module arranged spaced. A third isolation trench 13 extends parallel to the two remaining isolation trenches 11, 12 in the middle between these two. Each of the three insulating trenches 11, 12, 13 cuts through all the thin-film solar cells except for the outermost two, which are each arranged adjacent to the two long longitudinal edges of the substrate 1. These two outermost thin-film solar cells serve as so-called contact cells, the parallel shading by the
Isoliergräben gebildeten Sub-Solarmodule. Zwischen den Außenkanten des Substrats 1 und den benachbarten Isoliergräben 11 ,12 und zwischen den Isolation trenches formed sub-solar modules. Between the outer edges of the substrate 1 and the adjacent insulating trenches 11, 12 and between the
Isoliergräben 11 und 13 und zwischen den Isoliergräben 12 und 13 befinden sich Sub-Solarmodule, die über die beiden äußeren Kontaktzellen parallel zueinander verschaltet sind. Die üblicherweise zumindest einen Zentimeter betragende umlaufende Randentschichtung des Dünnschichtsolarmoduls ist hier ebenfalls nicht dargestellt. Isolation trenches 11 and 13 and between the isolation trenches 12 and 13 are sub-solar modules, which are connected in parallel via the two outer contact cells. The circumferential edge deletion of the thin-film solar module, which is usually at least one centimeter in size, is likewise not shown here.
Figur 2 zeigt eine rein schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform eines Dünnschichtsolarmoduls mit vier horizontalen Isoliergräben 11 ,12, 13,14. Ansonsten stimmen die Kantanmaße des Substrats 1 mit denen aus Figur 1 überein. Auch alle übrigen Ausführungen zu Figur 1 gelten hier entsprechend. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform sind zwei weitere Isoliergräben 13, 14 äquidistant zueinander und zu den außen angeordneten ersten beiden Isoliergräben 11 und 12 angeordnet. Figure 2 shows a purely schematic representation of a second embodiment of a thin-film solar module with four horizontal isolation trenches 11, 12, 13,14. Otherwise, the Kantanmaße the substrate 1 with those of Figure 1 match. All other explanations regarding FIG. 1 also apply accordingly. In contrast to the first embodiment are two more Insulating trenches 13, 14 equidistant to each other and to the outside arranged first two isolation trenches 11 and 12 are arranged.
Alle Isoliergräben 11 ,12,13, 14 werden entlang von Schnittlinien S ein einem einzigen Herstellungsschritts mittels eines Lasers erzeugt. Dazu werden im Zusammenhang mit den nachfolgend gezeigten Schnittdarstellungen weitere Ausführungen gemacht. All isolation trenches 11, 12, 13, 14 are produced along cutting lines S in a single manufacturing step by means of a laser. For this purpose, further statements are made in connection with the sectional illustrations shown below.
Figur 3 zeigt eine schematische, nicht maßstabsgetreue Schnittdarstellung durch das Solarmodul aus Figur 1 entlang der Linie III-III. Die Bruchlinien überbrücken dabei die Abschnitte des Solarmoduls bis zu den Außenkanten bzw. die gleichförmige Ausbildung der Dünnschichtpakete im Bereich der innen liegenden Sub-Module. Die Schnittdarstellung zeigt vom ganz unten liegenden Substrat 1 ausgehend folgenden Aufbau. Auf das Substrat 1 folgt eine Figure 3 shows a schematic, not to scale true sectional view through the solar module of Figure 1 along the line III-III. The fault lines bridge the sections of the solar module to the outer edges or the uniform formation of the thin film packages in the region of the inner sub-modules. The sectional view shows starting from the very bottom substrate 1 starting the following structure. On the substrate 1 follows a
Barrieredünnschicht 1a, die beispielsweise auf einem Glassubstrat aus Barrier thin film 1a, for example, on a glass substrate
Siliziumoxinitrid gebildet ist. Der Barrieredünnschicht 1a folgt die metallische Rückelektrodendünnschicht 2, darauf die Absorberdünnschicht 3 und die Frontelektrodenstruktur 4. Diese Frontelektrodenstruktur 4 ist aufgebaut aus einer Frontelektrodendünnschicht 40 aus transparentem, elektrisch leitfähigem Oxid und einer Elektrodensammelstruktur 41. Die Elektrodensammelstruktur kann anders als die aufgezählten Dünnschichten als Schicht mit Dicken im Bereich vieler Mikrometer hergestellt werden.  Silicon oxynitride is formed. The barrier thin film 1a is followed by the metallic back electrode thin film 2, followed by the absorbent thin film 3 and the front electrode pattern 4. This front electrode pattern 4 is composed of a front electrode thin film 40 of transparent electrically conductive oxide and an electrode collector structure 41. The electrode collector structure may have a thickness other than the listed thin films be made in the range of many microns.
Wird nun entlang der aus der Zeichenebene heraus verlaufenden Schneidlinien S ein Laserstrahl L durch das für den Laserstrahl L hinreichend transparente Substrat 1 mit seiner ebenfalls hinreichend transparenten Now, along the cutting lines S extending out of the plane of the drawing, a laser beam L will pass through the substrate 1, which is sufficiently transparent to the laser beam L, with its likewise sufficiently transparent
Barrieredünnschicht 1a rückseitig auf den Rückelektrodendünnfilm 2 gelenkt passiert folgendes. Sind die Laserpulse des Laserstrahls L im Pico- oder Barrier thin film 1a at the back of the back electrode thin film 2, the following happens. Are the laser pulses of the laser beam L in pico or
Femtosekundenbereich, weisen eine passende Pulsenergie und eine geeignete räumliche Weite auf und ist die Relativbewegung zwischen Substrat 1 undFemtosecond range, have a suitable pulse energy and a suitable spatial width and is the relative movement between substrate 1 and
Laserstrahl L passend ausgewählt, so wird die Barrieredünnschicht 1a nur wenig beschädigt, das darüber befindliche Schichtpaket wird jedoch komplett abgesprengt. Auf diese Weise lässt sich in wenigen Arbeitsschritten die Strukturierung der monolithisch verschalteten Dünnschichtsolarzellen in eine Mehrzahl miteinander parallel verschalteter Sub-Module realisieren. Laser beam L selected appropriately, the barrier thin layer 1a is only slightly damaged, but the layer package located above it is completely blasted. In this way can be in a few steps the Structuring the monolithically interconnected thin film solar cells in a plurality of parallel interconnected sub-modules realize.
Figur 4 zeigt eine schematische, nicht maßstabsgetreue Schnittdarstellung durch das Solarmodul aus Figur 2 entlang der Linie IV-IV. Gleiche Elemente des Schichtaufbaus sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die vorangehend gemachten Ausführungen gelten entsprechend. FIG. 4 shows a schematic, not to scale representation through the solar module from FIG. 2 along the line IV-IV. The same elements of the layer structure are provided with the same reference numerals. The statements made above apply accordingly.
Abschließend zeigt Figur 5 in einer schematischen, nicht maßstabsgetreuen Schnittdarstellung wie in weiteren Herstellungsschritten, die gemäß Figur 4 gezeigte Struktur von Sub-Modulen mittels eines aufgebrachten Finally, FIG. 5 shows, in a schematic, not to scale, sectional representation, as in further production steps, the structure of sub-modules shown in FIG. 4 by means of an applied layer
Frontseitenverkapselungselements 5 und einer Solarmodul- Anschlusseinrichtung 6 zu einem dauerhaft wetterfest verkapselten Solarmodul vervollständigt werden. Front side encapsulation element 5 and a solar module connection device 6 are completed to a permanently weatherproof encapsulated solar module.
Bezugszeichenliste: LIST OF REFERENCE NUMBERS
1 Substrat 1 substrate
1a Barrieredünnschicht  1a barrier thin film
2 Rückelektrodendünnschicht 2 back electrode thin film
3 Absorberdünnschicht 3 absorber thin film
4 Frontelektrodenstruktur  4 front electrode structure
40 Frontelektrodendünnschicht 40 front electrode thin film
41 Elektrodensammelstruktur41 electrode collecting structure
5 Frontseitenverkapselungselement5 front encapsulation element
6 Solarmodul-Anschlusseinrichtung 6 solar module connection device
11 ,12, 13,14 Isoliergraben 11, 12, 13,14 isolation trench
L Laserstrahl  L laser beam
S Schneidlinie für Isoliergraben  S cutting line for insulating trench

Claims

Patentansprüche: claims:
1. Verfahren zur Herstellung von Sub-Solarmodulen durch elektrisch isolierende Isoliergräben in einem Dünnschichtsolarmodul aufgebaut aus monolithisch miteinander verschalteten Dünnschichtsolarzellen, mit folgenden Schritten:1. A method for producing sub-solar modules by electrically insulating isolation trenches in a thin-film solar module constructed of monolithically interconnected thin-film solar cells, comprising the following steps:
- Bereitstellen eines Lasers mit einer Laser-Wellenlänge, Providing a laser with a laser wavelength,
- Bereitstellen eines Substrates (1 ) mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, das für die Laser-Wellenlänge transparent ist, wobei die erste Seite des Substrats (1 ) eine Mehrzahl monolithisch verschalteter Dünnschichtsolarzellen aufgebaut aus einer metallischen Rückelektrodendünnschicht (2) einer auf der metallischen Rückelektrodendünnschicht (2) angeordneten  - Providing a substrate (1) having a first side and a second side which is transparent to the laser wavelength, wherein the first side of the substrate (1) comprises a plurality of monolithically interconnected thin film solar cells constructed of a metallic back electrode thin film (2) one on the metallic back electrode thin film (2) arranged
Absorberdünnschicht (3) und einer darauf angeordneten Absorber thin film (3) and arranged thereon
Frontelektrodenstruktur (4) aufweist, Having front electrode structure (4),
- Einstrahlen eines Laserstrahls (L) auf das Substrat,  Irradiating a laser beam (L) onto the substrate,
- Bewegen des Laserstrahls (L) entlang mindestens einer Schneidlinie (S) über das Substrat (1 ) und/oder Bewegen des Substrats (1 ) relativ zum Laserstrahl (L) zur Erzeugung mindestens eines Isoliergrabens (11 , 12,13, 14) mittels einer Relativbewegung zwischen Laserstrahl (L) und Substrat (1 ), dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (1 ) auf die zweite Seite des Substrats (1 ) eingestrahlt wird, durch das Substrat (1 ) hindurch auf die metallische Rückelektrodendünnschicht (2) fällt und mit Laserpulsen im Pico- oder im Femtosekundenbereich derart eingestellt ist und die Relativbewegung zwischen Laserstrahl (L) und Substrat (1 ) derart ausgeführt wird, dass entlang der Schneidlinie (S) samt der metallischen Rückelektrodendünnschicht (2) die darüber angeordnete  - Moving the laser beam (L) along at least one cutting line (S) on the substrate (1) and / or moving the substrate (1) relative to the laser beam (L) for generating at least one Isoliergrabens (11, 12,13, 14) by means a relative movement between laser beam (L) and substrate (1), characterized in that the laser beam (1) is irradiated to the second side of the substrate (1), through the substrate (1) passes through the metallic back electrode thin film (2) and is set with laser pulses in the picosecond or femtosecond range and the relative movement between laser beam (L) and substrate (1) is carried out in such a way that along the cutting line (S) together with the metallic back-electrode thin-film layer (2)
Absorberdünnschicht (3) und die darauf angeordnete Frontelektrodenstruktur (4) vom Substrat (1 ) abgesprengt werden. Absorber thin film (3) and arranged thereon front electrode structure (4) from the substrate (1) are blasted off.
2. Verfahren zur Herstellung von Sub-Solarmodulen gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Laserwellenlänge im nahen Infrarot oder im 2. A method for the production of sub-solar modules according to claim 1, characterized in that the laser wavelength in the near infrared or in
sichtbaren Spektralbereich gewählt wird. visible spectral range is selected.
3. Verfahren zur Herstellung von Sub-Solarmodulen gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein gepulster Laser mit Pulsfrequenzen im 3. A method for the production of sub-solar modules according to claim 1 or 2, characterized in that a pulsed laser with pulse frequencies in
Bereich von 33,3 bis 400 kHz verwendet wird. Range of 33.3 to 400 kHz is used.
4. Verfahren zur Herstellung von Sub-Solarmodulen gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Laserstrahl (L) derart bewegt wird, dass ein räumlicher Überlapp aufeinander folgender Laserpulse von 10 bis 95%, bevorzugt von 15% bis 30% entlang der Schneidlinien (S) gewährleistet wird. 4. A method for producing sub-solar modules according to claim 3, characterized in that the laser beam (L) is moved such that a spatial overlap of successive laser pulses of 10 to 95%, preferably 15% to 30% along the cutting lines ( S) is guaranteed.
5. Verfahren zur Herstellung von Sub-Solarmodulen gemäß Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulsenergie pro Laserpuls im Bereich 5 bis 125 μϋ, bevorzugt im Bereich 20 bis 40 μϋ gewählt wird. 5. A method for the production of sub-solar modules according to claim 3 or 4, characterized in that the pulse energy per laser pulse in the range 5 to 125 μϋ, preferably in the range 20 to 40 μϋ is selected.
6. Verfahren zur Herstellung von Sub-Solarmodulen gemäß einem der 6. A method for the production of sub-solar modules according to one of
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1 ) als Glassubstrat ausgebildet ist und zwischen Rückelektrodendünnschicht (2) und dem Glassubstrat eine Barrieredünnschicht (1a) aufweist, wobei der Laserstrahl (L) derart eingestellt ist und die Relativbewegung zwischen Laserstrahl (L) und Substrat (1 ) derart ausgeführt wird, dass entlang der Schneidlinie (S) eine laserbeeinflusste Barrieredünnschicht (1a) auf dem Substrat verbleibt. preceding claims, characterized in that the substrate (1) is formed as a glass substrate and between the back electrode thin film (2) and the glass substrate has a barrier thin film (1a), wherein the laser beam (L) is set and the relative movement between the laser beam (L) and Substrate (1) is carried out such that along the cutting line (S) a laser-influenced barrier thin film (1a) remains on the substrate.
7. Verfahren zur Herstellung von Sub-Solarmodulen gemäß einem der 7. A method for producing sub-solar modules according to one of
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die preceding claims, characterized in that the
Absorberdünnschicht (3) als ternärer oder als quaternärer Halbleiter Absorber thin layer (3) as a ternary or as a quaternary semiconductor
ausgebildet ist. is trained.
8. Verfahren zur Herstellung von Sub-Solarmodulen gemäß einem der 8. A method for producing sub-solar modules according to one of
vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (1 ) rechteckig mit einer ersten Kantenlänge und einer zweiten Kantenlänge, einer Oberkante und einer Unterkante ausgebildet ist, wobei um einen Betrag von 10% bis 15% von der ersten oder der zweiten Kantenlänge beabstandet parallel zur Oberkante und parallel zur Unterkante ein erster Isoliergraben (11 ) und ein zweiter Isoliergraben (12) hergestellt wird. preceding claims, characterized in that the substrate (1) is formed rectangular with a first edge length and a second edge length, a top edge and a bottom edge, spaced by an amount of 10% to 15% of the first or the second edge length parallel to Upper edge and parallel to the lower edge of a first insulating trench (11) and a second insulating trench (12) is produced.
9. Verfahren zur Herstellung von Sub-Solarmodulen gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein weiterer Isoliergraben (13) parallel zum ersten und zweiten Isoliergraben (11 , 12) mittig zwischen dem ersten und dem zweiten Isoliergraben (11 ,12) hergestellt wird. 9. A method for producing sub-solar modules according to claim 8, characterized in that a further isolation trench (13) is made parallel to the first and second isolation trench (11, 12) centrally between the first and the second isolation trench (11, 12).
10. Verfahren zur Herstellung von Sub-Solarmodulen gemäß Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei weitere Isoliergräben (I3, I4) parallel zum ersten und zum zweiten Isoliergraben (11 ,12) derart zwischen dem ersten und dem zweiten Isoliergraben (11 , 12) hergestellt werden, dass der Abstand zwischen den beiden weiteren Isoliergräben (13, 14) gleich groß ist wie der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Isoliergraben (11 , 12) zum jeweils benachbarten weiteren Isoliergraben. 10. A method for producing sub-solar modules according to claim 8, characterized in that two further isolation trenches (I3, I4) parallel to the first and the second insulating trench (11, 12) between the first and the second insulating trench (11, 12) be prepared that the distance between the two further isolation trenches (13, 14) is the same size as the distance between the first and the second insulating trench (11, 12) to each adjacent further isolation trench.
11. Verfahren zur Herstellung von Sub-Solarmodulen gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Isoliergraben (11 , 12,13, 14) aus dem parallel überlappenden Anordnen einer Mehrzahl benachbarter Schneidlinien (S) gebildet wird. 11. A method for producing sub-solar modules according to one of the preceding claims, characterized in that an insulating trench (11, 12,13, 14) from the parallel overlapping arranging a plurality of adjacent cutting lines (S) is formed.
12. Verfahren zur Herstellung eines Dünnschichtsolarmoduls aufgebaut aus monolithisch miteinander verschalteten Dünnschichtsolarzellen mit Sub- Solarmodulen, die durch elektrisch isolierende Isoliergräben voneinander getrennt sind, mit folgenden Schritten: 12. A method for producing a thin-film solar module constructed of monolithically interconnected thin-film solar cells with sub-solar modules, which are separated by electrically insulating isolation trenches, comprising the following steps:
- Bereitstellen eines Substrates mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei die erste Seite des Substrats eine Mehrzahl monolithisch verschalteter Dünnschichtsolarzellen aufgebaut aus einer metallischen  - Providing a substrate having a first side and a second side, wherein the first side of the substrate, a plurality of monolithically interconnected thin film solar cells constructed of a metallic
Rückelektrodendünnschicht einer auf der metallischen Back electrode thin film one on the metallic one
Rückelektrodendünnschicht angeordneten Absorberdünnschicht und einer darauf angeordneten Frontelektrodenstruktur aufweist, Having the back electrode thin film arranged absorber thin film and a front electrode structure arranged thereon,
- Herstellen mindestens eines Isoliergrabens gemäß einem der vorangehenden Ansprüche,  Producing at least one insulating trench according to one of the preceding claims,
- dauerhaft wetterfestes Verkapseln der monolithisch verschalteten  - permanently weatherproof encapsulation of the monolithically interconnected
Dünnschichtsolarzellen mit einem Frontseitenverkapselungselement und - Anbringen einer dauerhaft wetterfesten elektrischen Solarmodul- Anschlusseinrichtung auf dem Substrat. Thin-film solar cells with a front encapsulation element and - Attaching a permanently weatherproof electrical solar module connection device on the substrate.
PCT/DE2014/100308 2013-08-30 2014-08-28 Method for producing sub-solar modules using electrically insulating insulation trenches in a thin-layer solar module, and method for producing a thin-layer solar module with such insulation trenches WO2015027996A1 (en)

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