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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Kontaktierung eines Fotovoltaikmoduls, bei dem eine metallische Schicht, an der bei einem Lichteinfall auf das Fotovoltaikmodul ein Spannungspotential abgegriffen werden kann, mit einem Leiter kontaktiert wird. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Fotovoltaikmodul, an dem ein Leiter zum Abgreifen einer Spannung vorgesehen ist.
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Ein Fotovoltaikmodul umfasst eine lichtempfindliche Schicht, in der beim Einfall von Licht freie Ladungsträger erzeugt werden. Die lichtempfindliche Schicht ist zwischen leitfähigen Schichten angeordnet, zwischen denen eine Spannung entsteht. Die Schichtstruktur aus der lichtempfindlichen Schicht und den leitfähigen Schichten ist auf einem Trägersubstrat, das beispielsweise eine Glasscheibe sein kann, angeordnet. Eine der leitfähigen Schichten kann als untere Schicht der Schichtstruktur beziehungsweise als Vorderseitenkontakt unmittelbar auf dem Trägersubstrat angeordnet sein. Die andere obere leitfähige Schicht kann als Rückseitenkontakt auf der lichtempfindlichen Schicht angeordnet sein. Zur Kontaktierung der oberen leitfähigen Schicht wird ein elektrischer Leiter mit der oberen leitfähigen Schicht verbunden. Der Leiter kann beispielsweise bandförmig ausgebildet sein und beidseitig mit einem Lotmaterial beschichtet sein.
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Zum Verlöten des Leiters mit der oberen leitfähigen Schicht wird der Leiter mit der mit dem Lotmaterial beschichteten Seite zunächst auf die obere leitfähige Schicht aufgelegt. Zum Erhitzen des Lotmaterials wird ein temperaturgeregeltes Werkzeug, beispielsweise eine Thermode, mit einer erhitzten Kontaktfläche auf die obere leitfähige Schicht angedrückt. Durch das Andrücken der erhitzten Thermode auf den bandförmigen Leiter schmilzt das an dem Leiter unterseitig angeordnete Lotmaterial. Das geschmolzene Lotmaterial wird nachfolgend abgekühlt und erstarrt. Nach der Kühlphase ist der Leiter mit der leitfähigen Schicht des Fotovoltaikmoduls verbunden.
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Bei Verwendung eines beidseitig mit Lotmaterial beschichteten Leiters steht die Thermodenfläche während des Schmelzvorgangs in einem direkten Kontakt mit dem Lotmaterial des beschichteten Leiters. Nach dem Aufschmelzen der Lotschicht sinkt die Thermode in die Lotschicht ein. Dies führt dazu, dass die Thermode mit Lotmaterial verunreinigt wird. Da die Thermode mit zunehmender Anzahl von Lötungen immer mehr verschmutzt wird, ändern sich die Prozessparameter für nachfolgende Lötungen, so dass der gesamte Lötprozess über einen längeren Zeitraum hinweg inhomogen wird, wodurch sich die Qualität der Verlötung mit zunehmender Anzahl an Lötungen verschlechtert.
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Beim Lötvorgang wird eine kleine Kontaktfläche der erhitzten Thermode an einer Stelle, an der die Verlötung zwischen dem bandförmigen Leiter und der leitfähigen Schicht hergestellt werden soll, auf den bandförmigen Leiter gedrückt. Sowohl der Leiter als auch das mit der Schichtstruktur beschichtete Trägersubstrat befinden sich beim Kontakt der Thermode mit dem Leiter auf Raumtemperatur. Aufgrund des hohen Temperaturunterschiedes während des Lötprozesses zwischen der Schichtanordnung aus der Schichtstruktur und dem Trägersubstrat einerseits und der erhitzten Lötkomponenten, beispielsweise der erhitzten Thermodenfläche, andererseits entsteht im Material der Schichtanordnung in einem Bereich, der sich unter der Thermodenfläche befindet, ein großer Temperaturstress.
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Der Temperaturstress führt dazu, dass die zur Ladungsträgererzeugung beitragenden elektrisch aktiven Schichten der Schichtanordnung delaminieren beziehungsweise aufbrechen können. Des Weiteren können die leitfähigen Schichten teilweise aufschmelzen, so dass die beiden leitfähigen Schichten durch einen ohmschen Kontakt miteinander verbunden sind. Infolge der Delamination der Schichten oder infolge des sich zwischen den leitfähigen Schichten ausbildenden ohmschen Kontaktes, ist allerdings die aus dieser Schichtstruktur gebildete Fotozelle zerstört, sodass zwischen den leitfähigen Schichten trotz Lichteinfalls auf die lichtempfindliche Schicht keine Spannung mehr erzeugt wird. Diejenige Stelle eines Fotovoltaikmoduls, an der der Lötvorgang stattfindet, kann daher in den meisten Fällen elektrisch nicht mehr genutzt werden. Im Allgemeinen ist ein Bereich der Schichtanordung aus Trägersubstrat und der darauf angeordneten Schichtstruktur betroffen, der sich in Projektion unter der Kontaktfläche der Thermode befindet.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Kontaktierung eines Fotovoltaikmoduls anzugeben, bei dem eine leitfähige Schicht des Moduls, an der aufgrund des fotovoltaischen Effekts in einer lichtempfindlichen Schicht des Moduls ein Spannungspotential erzeugt wird, mit einem Leiter kontaktiert wird, wobei eine Zerstörung einer Fotozelle, die aus der lichtempfindlichen Schicht und der leitfähigen Schicht gebildet wird, weitestgehend vermieden werden kann.
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Eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Kontaktierung eines Fotovoltaikmoduls umfasst das Bereitstellen einer Schichtanordnung aus einer lichtempfindlichen Schicht zum Erzeugen einer Ladung beim Einfall von Licht auf die lichtempfindliche Schicht und einer auf der lichtempfindlichen Schicht angeordneten leitfähigen Schicht zum Abgreifen einer Spannung. Des Weiteren werden ein Leiter zur Kontaktierung der leitfähigen Schicht und ein Lotmaterial zum Verlöten des Leiters auf der leitfähigen Schicht bereitgestellt. Der Leiter und das Lotmaterial werden auf der Schichtanordnung derart angeordnet, dass zwischen der leitfähigen Schicht und dem Leiter das Lotmaterial vorgesehen ist. Ein temperaturgeregeltes Werkzeug wird auf dem Leiter zum Erhitzen des Leiters angeordnet, wobei das temperaturgeregelte Werkzeug auf eine Temperatur, die zwischen 150°C und 190°C über der Schmelztemperatur des Lotmaterials liegt, erwärmt wird. Dadurch schmilzt das Lotmaterial. Das Lotmaterial wird abgekühlt und erstarrt, wodurch der Leiter mit der leitfähigen Schicht verbunden wird.
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Die Wärme zum Erhitzen der leitfähigen Schicht und des Leiters kann von einem temperaturgeregelten Werkzeug, beispielsweise einer Thermode, erzeugt werden, die mit ihrer erhitzen Kontaktfläche auf den Leiter angedrückt wird. Das temperaturgeregelte Werkzeug kann für eine Zeitdauer zwischen 500 ms und 700 ms auf den Leiter aufgedrückt werden. Die Andruckkraft kann zwischen 10 N und 40 N betragen. Insbesondere, wenn beispielsweise ein Lotmaterial verwendet wird, das Zinn oder Silber enthält und beispielsweise eine Schmelztemperatur von zirka 221°C aufweist, kann die Kontaktfläche des temperaturgeregelten Werkzeugs, die mit dem Leiter während des Andrückens in Kontakt steht auf eine Temperatur zwischen 370°C und 410°C, insbesondere auf eine Temperatur von 390°C erwärmt werden.
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Durch die kurze Zeit, während der die erhitzte Thermodenfläche auf dem Leiter aufliegt, breitet sich die Wärme ausgehend von der Thermodenfläche nahezu ausschließlich in dem Leiter, dem Lotmaterial und der darunter angeordneten leitfähigen Schicht aus. Insbesondere werden die unter der leitfähigen Schicht angeordnete lichtempfindliche Schicht und die darunter liegende leitfähige Schicht nur noch geringfügig oder sogar überhaupt nicht mehr erhitzt. Die Wärme verteilt sich lediglich in einem kleinen Bereich, der von der Kontaktfläche der Thermode, der Temperatur der Thermode, der Kontaktzeit, während der die Thermode mit dem Leiter in Kontakt gebracht wird, und der Andruckkraft, mit der die erhitzte Thermodenfläche auf den Leiter angedrückt wird, abhängig ist.
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Somit wird der Temperaturstress, dem der Leiter und die Schichtanordnung ausgesetzt sind, geringer, wodurch eine Delamination beziehungsweise ein Aufbrechen der Schichtanordnung während des Lötvorgangs weitestgehend vermieden werden kann. Dadurch können diejenigen Bereiche der lichtempfindlichen Schicht, die in Projektion unter der Kontaktfläche der Thermode und somit unter der Fläche des Leiters liegen, zur Spannungserzeugung verwendet werden. Insbesondere kann der Bereich der lichtempfindlichen Schicht zur Ladungsträgererzeugung bei Lichteinfall verwendet werden, der unter einer Fläche der leitfähigen Schicht liegt, an der der Leiter mit der leitfähigen Schicht verbunden ist.
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Bei einem Fotovoltaikmodul, bei dem mehrere Fotozellen in einer Reihenschaltung verschaltet sind und der Leiter auf einer Randzelle des Moduls, beispielsweise der Rückkontaktzelle des Fotovoltaikmoduls angeordnet ist, kann die Rückkontaktzelle zur Spannungserzeugung genutzt werden, da die lichtempfindliche Schicht der Rückkontaktzelle, die unter der Fläche des Leiters angeordnet ist, während des Lötvorgangs intakt bleibt.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens kann das Lotmaterial Zinn oder Silber enthalten und kann eine Schmelztemperatur zwischen 210°C und 230°C aufweisen. Der Leiter kann an mindestens einer Seite mit dem Lotmaterial beschichtet sein.
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Die Schichtstruktur aus den leitfähigen Schichten und der lichtempfindlichen Schicht bildet zusammen mit einem Trägersubstrat, auf dem die Schichtstruktur angeordnet ist, eine Schichtanordnung eines Fotovoltaikmoduls. Das Trägersubstrat kann beispielsweise als eine Glasscheibe ausgebildet sein. Der Leiter kann bandförmig, beispielsweise als ein kupferbeschichtetes Kontaktband, ausgeführt sein, das zumindest an einer Seite mit einem Lotmaterial beschichtet ist. Die leitfähige Schicht der Schichtanordnung kann ein transparentes leitfähiges Oxid aufweisen.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens wird das temperaturgeregelte Werkzeug nach einer Anzahl von Schritten des Andrückens des temperaturgeregelten Werkzeugs auf den Leiter gereinigt. Das Reinigen des temperaturgeregelten Werkzeugs kann nach jedem sechzigsten bis achtzigsten Schritt des Andrückens des temperaturgeregelten Werkzeugs auf den Leiter erfolgen. Das Reinigen des temperaturgeregelten Werkzeugs kann durch mechanisches oder chemisches Einwirken auf eine Fläche des temperaturgeregelten Werkzeugs, die während des Erhitzens des Leiters auf den Leiter angepresst wird, erfolgen.
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Durch die kurzen Kontaktzeiten der Thermode zwischen 500 ms und 700 ms, kann die Zeit, die zur Herstellung des Kontaktes zwischen der leitfähigen Schicht eines Fotovoltaikmoduls und dem Leiter benötigt wird, gegenüber einem Verfahren, bei dem die Thermode deutlich länger in Kontakt mit dem Leiter steht, derart verkürzt werden, dass beispielsweise nach jedem siebzigsten Schritt des Andrückens der Thermodenfläche auf den Leiter eine Reinigung der verschmutzten Thermodenfläche erfolgen kann und dennoch in der gleichen Zeitdauer eine geliche oder sogar höhere Anzahl von kontaktierten Modulen gefertigt werden kann. Während eines Reinigungszyklus wird die vom Lotmaterial verunreinigte Thermodenfläche beispielsweise zweimal über eine raue Oberfläche geführt, so dass das an der Kontaktfläche der Thermode haftende Lotmaterial abgerieben wird. Dadurch können Qualitätsschwankungen, die durch verschmutzte Thermoden während mehrerer nachfolgender Lötungen bisher aufgetreten sind, stark reduziert werden, wodurch der Prozess des Verlötens des Leiters mit der leitfähigen Schicht weitgehend homogen erfolgen kann. Durch die regelmäßige Reinigung der Thermoden-Kontaktfläche kann außerdem der Verschleiß der Thermode sehr stark reduziert werden.
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Mit dem Verfahren lässt sich ein Fotovoltaikmodul herstellen, bei dem die Fotozellstruktur, die unter den Kontaktbereichen des bandförmigen Leiters angeordnet ist, intakt bleibt und somit zur Ladungsträgererzeugung bei Lichteinfall genutzt werden kann, da aufgrund der kurzen Kontaktzeit und der hohen Thermodentemperatur das Lotmaterial zwar schmilzt, die Wärme sich aber nur bis in die leitfähige Schicht, die über der lichtempfindlichen Schicht angeordnet ist, ausbreitet. Das Fotovoltaikmodul umfasst eine Fotozelle mit einer lichtempfindlichen Schicht zum Erzeugen einer Ladung beim Einfall von Licht auf die lichtempfindliche Schicht, eine über der lichtempfindlichen Schicht angeordnete leitfähige Schicht zum Abgreifen eines Potentials einer Spannung und eine unter der lichtempfindlichen Schicht angeordnete weitere leitfähige Schicht. Des Weiteren umfasst das Modul einen Leiter zur Kontaktierung der leitfähigen Schicht, wobei der Leiter auf einer Fläche der leitfähigen Schicht mit der leitfähigen Schicht verbunden ist. Ein Bereich der lichtempfindlichen Schicht, der in Projektion unter der Fläche der leitfähigen Schicht angeordnet ist, erzeugt beim Einfall von Licht auf die lichtempfindliche Schicht eine Ladung, wodurch zwischen der leitfähigen Schicht und der weiteren leitfähigen Schicht eine Spannung entsteht. Der Leiter kann beispielsweise auf die Fläche der leitfähigen Schicht aufgelötet sein. Die leitfähige Schicht und die weitere leitfähige Schicht sind durch die lichtempfindliche Schicht voneinander isoliert.
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Das Fotovoltaikmodul kann weitere Schichtanordnungen mit jeweils einer lichtempfindlichen Schicht zum Erzeugen einer Ladung beim Einfall von Licht auf die lichtempfindliche Schicht umfassen, wobei die Schichtanordnung und die weiteren Schichtanordnungen untereinander in einer Reihenschaltung geschaltet sind.
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Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Figuren, die Ausführungsformen der Erfindung zeigen, näher erläutert. Es zeigen:
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1A eine Ausführungsform eines Fotovoltaikmoduls mit verschiedenen Schichten einer Schichtanordnung,
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1B eine Ausführungsform einer leitfähigen Schicht zur Kontaktierung eines Fotovoltaikmoduls,
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2 eine Ausführungsform eines Fotovoltaikmoduls mit seriell geschalteten lichtempfindlichen Schichtanordnungen,
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3 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Kontaktierung eines Fotovoltaikmoduls,
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4 eine Ausführungsform eines Verfahrens zur Kontaktierung eines Fotovoltaikmoduls,
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5 eine Ausführungsform eines Fotovoltaikmoduls mit mehreren seriell geschalteten lichtempfindlichen Schichtanordnungen.
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1A zeigt eine Schichtanordnung 100 eines Fotovoltaikmoduls. Die Schichtanordnung weist eine Substratschicht 10 auf, die beispielsweise als eine Glasschicht ausgebildet sein kann. Auf der Substratschicht 10 ist eine leitfähige Schicht 20 angeordnet. Auf der leitfähigen Schicht 20 ist eine lichtempfindliche Schicht 30 angeordnet, die halbleitende, fotoaktive Materialien, aufweist.
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In der Ausführungsform eines Tandem-Solarmoduls kann die lichtempfindliche Schicht 30 aus verschiedenen Teilschichten gebildet sein. Im Ausführungsbeispiel der 1 weist die lichtempfindliche Schicht 30 eine Teilschicht 31 und eine Teilschicht 32 auf. Die Teilschichten sind für Licht unterschiedlicher Wellenlänge empfindlich. Die Teilschicht 31 kann mikrokristallines Silizium enthalten und wird dadurch empfindlich für Lichtstrahlen des sichtbaren Lichtspektrums, die eine verhältnismäßig lange Wellenlänge aufweisen und für Teile des Lichtspektrums im infraroten Bereich. Die im Vergleich zur Teilschicht 31 dünnere Teilschicht 32 ist zur Wandlung von Lichtstrahlen kürzerer Wellenlänge des sichtbaren Spektrums in elektrische Energie ausgebildet und kann beispielsweise amorphes Silizium enthalten.
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Über der lichtempfindlichen Schicht 30 ist eine weitere leitfähige Schicht 40 vorgesehen. Zur Verkapselung der Schichtstruktur aus der leitfähigen Schicht 20, der lichtempfindlichen Schicht 30 und der leitfähige Schicht 40 ist über der leitfähige Schicht 40 eine Folienschicht 50 aus einem thermoplastischen Kunststoff und eine Glasscheibe 60 vorgesehen. Die Schichtstruktur aus der lichtempfindlichen Schicht 30 und den beiden leitfähigen Schichten 20 und 40 ist somit zwischen den beiden Glasschichten 10 und 60 in einer Verbundanordnung verkapselt.
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Die leitfähige Schicht 20, die einen Frontkontakt des Fotovoltaikmoduls bildet, kann als lichttransparente Schicht ausgebildet sein. Die leitfähige Schicht 20 kann beispielsweise ein transparentes leitfähiges Oxid, beispielsweise Zinn- oder Zinkoxid, aufweisen. Die lichtempfindliche Schicht 30 ist als eine lichtabsorbierende Schicht ausgebildet, in der bei einem Lichteinfall freie Ladungsträger erzeugt werden.
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Die leitfähige Schicht 40 bildet die Rückseiten-Metallisierung beziehungsweise den Rückkontakt des Moduls. 1B zeigt die leitfähige Schicht 40 in einer detaillierteren Darstellung. Die leitfähige Schicht 40 kann mehrere Schichtlagen umfassen. Die leitfähige Schicht 40 kann beispielsweise eine Schichtlage aus einem transparenten leitfähigen Oxid (TCO-Schicht) 41 sowie darüber angeordnete metallische Schichtlagen aufweisen. Als TCO(Transparent Conductive Oxid)-Schichtlage kann zum Beispiel auf der lichtempfindlichen Absorberschicht 30 ein Schichtlage aus Zinkoxid angeordnet sein, auf der eine Schichtlage 42, die ein reflektierendes Material umfasst, angeordnet ist. Die reflektierende Schichtlage kann zum Beispiel Silber oder eine Silberlegierung aufweisen. Auf der reflektierenden Schichtlage kann eine Schutzschichtlage 43 angeordnet sein. Die Schutzschichtlage kann ein Metall, beispielsweise Nickelvanadium, Aluminium, Molybdän, Titan oder Titanoxid enthalten. Des Weiteren kann zwischen der transparenten leitfähigen Schichtlage 41 und der reflektierenden Schichtlage 42 eine Schichtlage 44 vorgesehen sein, die einen Haftvermittler enthält.
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Die Schichtlage 41 aus dem transparenten leitfähigen Oxid kann beispielsweise eine Schichtdicke von zirka 100 nm aufweisen. Die darüber angeordnete reflektierende Schichtlage 42 kann eine Schichtdicke von etwa 100 nm haben und die Schutzschichtlage 43 kann eine Schichtdicke von ungefähr 50 nm aufweisen. Die Dicke der einzelnen Schichtlagen kann geringfügig variieren, so dass die gesamte leitfähige Schicht 40 eine Schichtdicke zwischen 100 nm und 500 nm aufweisen kann.
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Beim Einfall von Licht durch die untere Glasscheibe 10 und die transparente leitfähige Schicht 20 dringt das Licht in die lichtempfindliche Schicht 30 ein, in der freie Ladungsträger erzeugt werden. Auf den leitfähigen Schichten 20 und 40 entstehen somit beim Lichteinfall entgegengesetzte Spannungspotentiale.
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Zur Kontaktierung der leitfähigen Schicht 40 wird vor der Verkapselung der Schichtstruktur aus der lichtempfindlichen Schicht 30 und den leitfähige Schichten 20 und 40 ein elektrischer Leiter mit der leitfähigen Schicht 40 verbunden. Damit die Schichtstruktur zwischen den beiden Glasscheiben verkapselt werden kann, kann als Leiter ein Kontaktband verwendet werden, an dem sich bei Lichteinfall auf die lichtempfindliche Schicht ein Spannungspotential abgreifen lässt.
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2 zeigt eine Ausführungsform eines Fotovoltaikmoduls aus Fotozellen Z1, Z2, die untereinander in Serie geschaltet sind, und Randzellen 1, 2. Die Fotozellen und die Randzellen sind auf einem Trägersubstrat 10, beispielsweise einer Glasschicht, angeordnet. Die Randzellen können eine Breite D1 von beispielsweise 8 mm aufweisen. Die Fotozellen 1, 2 können eine Breite D2 von beispielsweise 10 mm haben. Zur Kontaktierung der Serienschaltung der Fotozellen sind die beiden Randzellen 1, 2 über einen Leiter 200 des Fotovoltaikmoduls mit Kontaktanschlüssen 210 des Moduls verbunden. Jede einzelne Fotozelle Z1, Z2 weist die lichtempfindliche Schicht 30 auf, die zwischen der unteren leitfähigen Schicht 20 und der oberen leitfähige Schicht 40 angeordnet ist. Beim Einfall von Licht entsteht zwischen den leitfähigen Schichten 20 und 40 eine Spannung. Durch die Reihenschaltung der Fotozellen wird eine Ladung, die an der leitfähigen Schicht 20 der Fotozelle Z1 erzeugt wird, auf die leitfähige Schicht 40 der benachbarten Fotozelle Z2 übertragen. Dazu verläuft die leitfähige Schicht 40 der Fotozelle Z2 an einer Randseite der Fotozelle Z2 in Richtung auf die leitfähige Schicht 20 der Fotozelle Z1. Die leitfähige Schicht 40 der Fotozelle Z2 ist somit mit der leitfähigen Schicht 20 der Fotozelle Z1 verbunden.
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Nach dem Herstellen der in 2 gezeigten Schichtanordnung aus den in Serie geschalteten Zellen 1, Z1, Z2 und 2 werden die beiden Randzellen 1, 2 jeweils mit dem Leiter 200 verbunden. Die elektrischen Leiter 200 können als Kontaktbänder, beispielsweise als bandförmige Leiter aus Kupfer, ausgeführt sein. Gemäß einer möglichen Ausführungsform ist der Leiter 200 beidseitig mit einem Lotmaterial, beispielsweise mit einem Lotmaterial, das Zinn oder Silber enthält, beschichtet. Eine Kontaktseite des Leiters 200 kann beispielsweise eine Breite D3 von 4 mm aufweisen. Der Leiter kann eine Dicke zwischen 100 μm und 150 μm aufweisen und mit einem Lotmaterial beschichtet sein, wobei die Schichtdicke des Lotmaterials zwischen 10 μm und 20 μm betragen kann. Die beiden Leiter 200 sind zum Abgreifen entgegengesetzter Spannungspotentiale an die Kontaktanschlüsse 210 angeschlossen. Zum Verbinden der Leiter 200 mit den jeweiligen Randzellen 1, 2 kann ein Lötverfahren eingesetzt werden.
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Vor dem Lötprozess befinden sich das Trägersubstrat sowie die Schichten 20, 30 und 40 der Foto- und Randzellen zunächst auf Raumtemperatur, üblicherweise in einem Temperaturbereich zwischen 18°C bis 25°C. Zum Erhitzen des Lotmaterials werden temperaturgeregelte Werkzeuge, beispielsweise Thermoden, auf die beiden Kontaktbänder 200 aufgedrückt. Die Thermoden können dabei eine Temperatur von zirka 330°C aufweisen. Zum Aufschmelzen des Lotmaterials werden die erhitzten Thermodenflächen beispielsweise für eine Zeitdauer von zirka 1750 ms auf den Leiter aufgedrückt.
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Durch die relativ lange Kontaktzeit von 1750 ms zwischen der Thermode und der leitfähigen Schicht 40 breitet sich die Wärme nicht nur in der leitfähigen Schicht 40 sondern auch in der darunterliegenden lichtempfindlichen Schicht 30, der leitfähigen Schicht 20 und dem Glassubstrat 10 aus. Die Wärmeeinwirkung über den langen Zeitraum kann dazu führen, dass die leitfähigen Schichten 20 und 40 aufschmelzen. Zwischen den leitfähigen Schichten kann sich durch die lichtempfindliche Schicht 30 hindurch ein ohmscher Kontakt ausbilden. Durch den Lötvorgang können somit die leitfähigen Schichten untereinander kurzgeschlossen sein. Da innerhalb der Reihenschaltung aus den intakten Fotozellen Z1, Z2 und den Randzellen 1, 2 die Diodenstrukturen der Randzellen durch den Lötprozess in einen ohmschen Widerstand umgewandelt werden, wird die fotoaktive Fläche des Fotovoltaikmoduls reduziert.
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Des Weiteren entsteht aufgrund des großen Temperaturunterschiedes zwischen der erhitzten Thermodenflächen und dem Leiter 200 sowie der Schichtanordnung aus der Glasschicht 10, der leitfähigen Schicht 20, der lichtempfindlichen Schicht 30 und der leitfähige Schicht 40 im Bereich der Thermodenfläche ein großer Temperaturstress. Der Temperatureinfluss kann insbesondere in einem Bereich 33, der unter dem Kontaktbereich der Thermode beziehungsweise unter einer Fläche 201 des Leiters 200, an der der Leiter mit der leitfähigen Schicht 40 verbunden wird, angeordnet ist, zur Delamination der in diesem Bereich angeordneten elektrisch aktiven Schichten führen.
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Die Delamination kann insbesondere an Grenzflächen der unter der Rückseitenmetallisierung 40 aufgebrachten Schichten zum Beispiel an der Grenzfläche zwischen der transparenten Frontkontaktschicht 20 und der lichtempfindlichen Schicht 30 beziehungsweise zwischen der lichtempfindlichen Schicht 30 und der leitfähigen Schicht 40 erfolgen. Innerhalb der leitfähigen Schicht 40 kann eine Delamination zwischen den einzelnen Schichtlagen der leitfähigen Schicht 40 auftreten. Eine Delamination kann an der Grenzfläche zwischen der transparenten leitfähigen Oxidschicht 41, beispielsweise der Zinkoxidschicht, und der darüber angeordneten reflektierenden Schicht 42, beispielsweise der metallischen Schicht aus Silber, auftreten.
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Insbesondere die den Rückkontakt des Fotovoltaikmoduls bildende Randzelle 1 wird durch Kurzschließen der unter der Thermodenfläche angeordneten Diodenstruktur zerstört. Dadurch tritt eine Vergrößerung der fotoelektrisch inaktiven Fläche des Solarmoduls und ein Verlust der durch das Modul erzeugten Spannung auf, was eine reduzierte Leistung des Fotovoltaikmoduls zur Folge hat.
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Um eine Delamination der Schichten während des Lötvorgangs zu verhindern, kann unter anderem der Einsatz von haftvermittelnden Schichten notwendig werden, um ein ausreichend großes Prozessfenster für den Lötprozess gewährleisten zu können. Beispielsweise kann zwischen der transparenten leitfähigen Oxidschicht der Schicht 40, beispielsweise der Zinkoxidschicht, und der reflektierenden Schicht der Schicht 40, beispielsweise der Silberschicht, eine haftvermittelnde Schicht 44 angeordnet sein, die Chrom enthält. Derartige haftvermittelnde Schichten können jedoch im Allgemeinen zu einer Reduzierung der optischen Eigenschaften des Rückkontakts führen, da durch den Haftvermittler die Reflektivität der reflektierenden Schicht herab gesetzt wird und an der reflektierenden Schicht eine erhöhte Absorption stattfindet. Infolgedessen wird weniger Strahlung in die lichtempfindliche Absorberschicht 30 zurück reflektiert, wodurch eine Reduzierung des Fotostroms auftritt.
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Wenn der Leiter 200 sowohl an seiner Oberseite als auch an seiner Unterseite mit Lotmaterial beschichtet ist, entsteht beim Andrücken einer erhitzten Thermodenfläche auf den beschichteten Leiter 200 an der Thermodenfläche eine Ablagerung des Lotmaterials. Mit zunehmender Anzahl von Lötvorgängen werden die Thermodenflächen durch das geschmolzene Lotmaterial mehr und mehr verunreinigt. Um eine ausreichende Qualität der Lötungen zu erreichen, müssen die Thermodenflächen in bestimmten zeitlichen Abständen gereinigt werden. Bei einem Lötprozess, bei dem die Thermodenflächen auf zirka 330°C erwärmt werden und für eine Zeitdauer von 1750 ms auf den Leiter aufgedrückt werden, kann eine Reinigung der verunreinigten Thermodenfläche beispielsweise nach 140 Lötvorgängen durchgeführt werden.
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Obwohl die beiden Randzellen 1, 2 auch eine lichtempfindliche Schicht aufweisen, tragen diese beiden Zellen nicht zur Spannungserzeugung bei. Die Randzelle 1 ist durch den Lötvorgang weitestgehend zerstört. Bei der Randzelle 2 verläuft die leitfähige Schicht 40 an einer Seite der Randzelle streifenförmig in Richtung auf die leitfähige Schicht 20 der Fotozelle Z2. Die Randzelle 2 hat somit lediglich die Funktion die Ladung, die sich auf der leitfähigen Schicht 20 der Fotozelle Z2 angesammelt hat, auf die leitfähige Schicht 40 der Randzelle 2 zu transportieren.
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Eine weitere Ausführungsform eines Verfahrens zur Herstellung eines Fotovoltaikmoduls und des mit diesem Verfahren hergestellten Fotovoltaikmoduls wird im Folgenden anhand der 3, 4 und 5 beschrieben.
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5 zeigt einen Querschnitt durch ein Fotovoltaikmodul 1000 mit den Randzellen 1 und 2 sowie den Fotozellen Z1, Z2. In Längsrichtung des Fotovoltaikmoduls sind die Zellen als schmale Streifen ausgebildet, die durch den Graben G voneinander getrennt sind. Jede der Zellen weist eine Schichtenfolge aus leitfähigen Schichten 20, 40 und einer lichtempfindlichen Schicht 30 auf. Die Zellen sind untereinander jeweils durch einen Graben G getrennt. Im Unterschied zur Ausführungsform der 2 sind die Randzelle 1 und die Fotozelle Z1 nicht als eine zusammenhängende Schichtanordnung ausgebildet, sondern sind voneinander durch den Graben G getrennt. Die Randzelle 1, die die Rückkontaktzelle des Fotovoltaikmoduls bildet, ist durch den Leiter 200 und eine Verbindungsleitung 220 mit dem Kontaktanschluss 210 verbunden. Die Randzelle 2 ist durch den weiteren Leiter 200 und den weiteren Verbindungsleiter 220 mit einem weiteren Kontaktanschluss 210 verbunden. Der Leiter 200 kann ein bandförmiger Leiter sein. Beispielsweise kann ein Kontaktband verwendet werden, das ein Material aus Kupfer enthält.
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Zur Herstellung des Fotovoltaikmoduls 1000 wird zunächst die elektrisch leitfähige Schicht 20 als durchgehende Schicht auf einem Trägersubstrat 10, beispielsweise einem Glassubstrat, angeordnet. Das Glassubstrat kann beispielsweise eine Dicke von 3 mm aufweisen. Die leitfähige Schicht 20 kann durch einen Abscheideprozess mit einer Dicke von 2 μm auf der Glassubstratschicht 10 abgeschieden werden. Die leitfähige Schicht 20 kann als Frontkontakt des Fotovoltaikmoduls 1000 transparent ausgebildet sein und ein transparentes leitfähiges Oxid, beispielsweise ein Material aus Zinnoxid, enthalten.
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Zur Trennung beziehungsweise Isolierung der zunächst auf dem Trägersubstrat durchgehend, ununterbrochen angeordneten leitfähige Schicht 20 werden in einem nachfolgenden Prozessschritt Gräben, beispielsweise durch einen Laserprozess, in die leitfähige Schicht 20 eingebracht. Dadurch entstehen einzelne elektrisch voneinander isolierte leitfähige Schichten 20. In einem nächsten Prozessschritt wird die lichtempfindliche Schicht, beispielsweise eine Schicht, die Silizium enthält, über den unterbrochenen leitfähigen Schichten 20 angeordnet. In einem nachfolgenden Prozess wird die zunächst noch durchgehend angeordnete lichtempfindliche Schicht durch Gräben getrennt, sodass auf jeweils einer leitfähigen Schicht 20 einer Foto-/Randzelle eine isoliert angeordnete lichtempfindliche Schicht 30 vorhanden ist. In einem weiteren Prozessschritt wird über der lichtempfindlichen Schicht eine leitfähige Schicht 40, beispielsweise durch Aufsputtern, angeordnet.
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Zunächst ist das Material der leitfähigen Schicht 40 auch in den Gräben zwischen den voneinander getrennt angeordneten lichtempfindlichen Schichten vorhanden. In einem nachfolgenden Prozessschritt werden die einzelnen Fotozellen voneinander getrennt, indem erneut Gräben G, in die Bereiche eingebracht werden, in denen die leitfähige Schicht 40 mit der leitfähigen Schicht 20 in Kontakt steht. Die Gräben können beispielsweise durch einen Laserprozess in die leitfähige Schicht 40 eingebracht werden. Die Gräben werden dabei derart zwischen den Zellen eingebracht, dass von der Randzelle 2 und den Fotozellen Z1, Z2 jeweils ein schmaler Materialstreifen der leitfähige Schicht 40 die leitfähige Schicht 40 mit der leitfähige Schicht 20 der benachbarten Zelle verbindet. Somit sind die einzelnen Zellen 1, Z1, Z2 und 2 in Reihe geschaltet.
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Zur Kontaktierung der in Reihe geschalteten Fotozellen des Fotovoltaikmoduls mit den Leitern 200 wird ein Lötprozess eingesetzt, bei dem die Randzellen 1 und 2 jeweils mit einem Leiter 200 verbunden werden. Der Leiter 200 kann als ein bandförmiger Leiter, beispielsweise ein Kontaktband, ausgebildet sein, das zumindest an einer Seite 201 mit einem Lotmaterial 300 beschichtet ist. Es kann auch ein Kontaktband verwendet werden, das beidseitig, an der Seite 201 und der gegenüberliegenden Seite 202 mit dem Lotmaterial beschichtet ist. Das Lotmaterial kann eine Mischung aus einem Material aus Zinn oder Silber enthalten.
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Die einzelnen Prozessschritte F1, ..., F5 des Kontaktierungsvorgangs, bei dem jeweils ein Kontaktband 200 mit einer der Randzellen 1, 2 kontaktiert wird, sind in 3 dargestellt.
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In einem Fertigungsschritt F1 wird die Schichtanordnung aus der leitfähigen Schicht 20, der lichtempfindlichen Schicht 30 und der darüber angeordneten leitfähigen Schicht 40 hergestellt. Somit entstehen die in Reihe geschalteten Zellstrukturen 1, Z1, Z2 und 2 der 5, die jeweils durch den Graben G voneinander getrennt sind.
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In einem Fertigungsschritt F2 wird ein Leiter 200 auf eine der beiden Randzellen 1 und 2 angeordnet. Der Leiter kann bandförmig ausgebildet sein. Zwischen dem Leiter 200 und der leitfähigen Schicht 40 wird ein Lotmaterial angeordnet. Dies kann dadurch erfolgen, indem zumindest eine Seite des bandförmigen Leiters, beispielsweise die untere Seite 201 des Leiters 200 mit einem Lotmaterial beschichtet ist. Es kann auch ein Leiter 200 verwendet werden, bei dem beide Seiten 201, 202 mit einem Lotmaterial beschichtet sind.
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In einem nachfolgenden Fertigungsschritt F3 wird ein temperaturgeregeltes Werkzeug, beispielsweise eine Thermode, auf eine Temperatur erwärmt, die zwischen 150°C und 190°C über der Schmelztemperatur des Lotmaterials liegt. Wenn beispielsweise ein Lotmaterial verwendet wird, das eine Schmelztemperatur von zirka 221°C aufweist, kann die Thermode auf eine Temperatur zwischen 370°C und 410°C erwärmt werden. Vorzugsweise wird die Fläche, mit der die Thermode auf den Leiter aufgedrückt wird, auf eine Temperatur von 390°C erwärmt.
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Ein nachfolgender Fertigungsschritt F4 ist in 4 dargestellt. 4 zeigt einen Ausschnitt aus einer Seitenansicht des in 5 im Querschnitt dargestellt Fotovoltaikmodul. Die Zellen 1, Z1, Z2 und 2 sind in Längsrichtung des Moduls als schmale Streifen ausgeführt. In 4 ist ein Abschnitt der Randzelle 1 beziehungsweise der Randzelle 2 in Längsrichtung des Fotovoltaikmoduls dargestellt. Der Leiter 200 kann beispielsweise an den Bereichen 31 und 32 mit dem Leiter 200 verlötet werden. Dazu werden jeweilige Kontaktflächen 501 der Thermoden 500 an den Bereichen 31 und 32 auf den Leiter 200 gedrückt. Die Kontaktbereiche 31 und 32 können beispielsweise einen Abstand zwischen 30 μm und 35 μm aufweisen. Die Andruckkraft, mit der die Thermodenflächen 501 der Thermoden auf den Leiter angepresst werden, beträgt zwischen 10 N und 40 N. Die Kontaktflächen der Thermoden sind auf eine Temperatur erhitzt, die zwischen 150°C und 190°C über der Schmelztemperatur des Lotmaterials 300 liegt. Die Thermoden werden für eine Zeitdauer zwischen 500 ms und 700 ms auf den Leiter gedrückt.
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Der Leiter 200 kann eine Dicke von 100 μm bis 150 μm aufweisen. Im Falle der Verwendung eines mit dem Lotmaterial beschichten Leiters kann das Lotmaterial eine Dicke zwischen 10 μm und 15 μm aufweisen. Insbesondere bei Verwendung eines derartigen Leiters und einer Schichtdicke der leitfähigen Schicht 40 von 100 nm bis 500 nm, insbesondere einer transparenten leitfähigen Oxidschicht von zirka 100 nm, einer reflektierenden Schicht von ungefähr 100 nm und einer Schutzschichtlage von ungefähr 50 nm, sowie einem Lotmaterial, das Zinn oder Silber aufweist und einen Schmelzpunkt zwischen 210°C und 230°C hat, hat sich eine Temperatur der Thermoden von zirka 390°C als ausreichend erwiesen, damit das Lotmaterial innerhalb der Zeitdauer von 500 ms bis 700 ms schmilzt.
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Durch die kurze Kontaktzeit zwischen 500 ms und 700 ms, die Thermodentemperatur zwischen 150°C und 190°C über dem Schmelzpunkt des Lotmaterials und eine Andruckkraft der Thermoden zwischen 10 N und 40 N wird erreicht, dass sich die Wärme der Thermoden im Wesentlichen nur an den Kontaktbereichen B1 und B2 im Leiter 200, im Lotmaterial 300 und in der leitfähigen Schicht 40 ausbreitet. Die zugeführte Wärme ist ausreichend, damit das Lotmaterial an einer Fläche 41 der leitfähigen Schicht 40 schmilzt. Insbesondere kann jedoch das Aufschmelzen der leitfähigen Schichten 30 und 40 verhindert werden, wodurch zum Beispiel die Ausbildung leitfähiger Silizide, beispielsweise von Silbersiliziden verhindert werden kann, die den Frontkontakt 20 und den Rückkontakt 40 durch die Diodenstruktur hindurch durch einen ohmschen Kontakt verbinden. Die gewählten Prozessparameter für den Lötprozess gewährleisten, dass sich die Wärme nicht bis in die lichtempfindliche Schicht 30 ausbreitet. Dadurch kann der Temperaturstress während des Lötvorgangs verringert werden, wodurch eine Zerstörung der bei Lichteinfall elektrisch aktiven Schichten verhindert werden kann.
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Die hohe Temperatur der Thermoden ermöglicht einerseits, dass das Lotmaterial, das zwischen dem Leiter 200 und der oberen leitfähigen Schicht 40 angeordnet ist, schmilzt. Die kurze Kontaktzeit gewährleistet andererseits, dass Schädigungen der Schichten 20, 30 und 40 der auf der Substratschicht angeordneten Schichtstruktur, insbesondere eine Delamination dieser Schichten vermieden wird. Dadurch kann die lichtempfindliche Schicht, die in einem Bereich unter dem Kontaktbereich B1, B2 angeordnet ist, zur Ladungsträgererzeugung bei Lichteinfall genutzt werden.
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Als vorteilhaft hat sich bei Verwendung der kurzen Prozesszeiten erwiesen, dass Temperaturgradienten zwischen dem Kontaktband 200 und der Substratschicht 10 innerhalb der Zeitdauer von 500 ms bis 700 ms nicht zu einer Abkühlung führen, die durch einen zusätzlichen Energieeintrag kompensiert werden müsste. Die Gesamtenergie, die in den Lötprozess eingebracht wird, ist mindestens um den Faktor 2 geringer als bei einem Verfahren, bei dem die Thermoden auf eine Temperatur von zirka 330°C erwärmt werden und für eine Zeitdauer von zirka 1750 ms auf den Leiter 200 aufgedrückt werden.
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Nach dem Schmelzen des Lotmaterials werden die erhitzten Bereiche B1 und B2 in einem Fertigungsschritt F5 abgekühlt, wodurch das Lotmaterial erstarrt. Dazu kann beispielsweise Luft mit Raumtemperatur auf die Lötstelle geblasen werden, bis das Lotmaterial erstarrt ist. Nach dem Erstarren des Lotmaterials ist der Leiter 200 an den Flächen 41 der leitfähigen Schicht 40 mit der leitfähigen Schicht 40 verbunden.
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Durch die Reduzierung der Kontaktzeit der Thermodenfläche von 1750 ms auf 500 ms bis 700 ms wird es ermöglicht, dass die von dem geschmolzenen Lotmaterial verunreinigten Thermodenflächen häufiger gereinigt werden können und dennoch die Anzahl der gefertigten Module pro Zeiteinheit, der sogenannte Durchsatz, bei der Herstellung der Fotovoltaikmodule im Vergleich zu einem Prozess, bei dem die Kontaktzeiten der Thermoden mehr als 1500 ms betragen, erhöht werden kann. Die Reinigung der Thermodenflächen kann chemisch oder physikalisch erfolgen. Bei der mechanischen Reinigung werden die Thermodenflächen beispielsweise über eine raue Oberfläche bewegt, wodurch das an der Thermodenfläche haftende Lotmaterial abgerieben wird. Die Verkürzung der Kontaktzeiten auf eine Zeit zwischen 500 ms und 700 ms ermöglicht es, nach zirka sechzig bis achtzig Lötvorgängen einen Reinigungszyklus durchzuführen. Bei einem solchen Reinigungsschritt werden die Kontaktflächen der Thermoden beispielswiese zweimal über eine raue Oberfläche bewegt, um das Lotmaterial von der Kontaktfläche zu entfernen.
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Da ein Reinigungsvorgang zum Reinigen der Thermode beispielsweise bereits nach jeweils 70 Lötvorgängen durchgeführt wird, wird der Lötprozess deutlich stabiler, als wenn nur nach jeweils 140 Lötprozessen die Thermoden gereinigt werden. Dadurch erhöht sich auch die Standzeit beziehungsweise die Lebensdauer der Thermoden.
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Wie in den Ausführungsformen der Fotovoltaikmodule der 2 und 5 gezeigt ist, weist die Randzelle 1 in Projektion unter einer Fläche 41 der leitfähigen Schicht 40 einen Bereich 33 aus der lichtempfindliche Schicht 30 und den leitfähigen Schichten 20 und 40 auf. Im Unterschied zu dem Verfahren zur Herstellung des Fotovoltaikmoduls der 2, bei dem ein Bereich 33 der Schichtanordnung unter der Lötstelle zerstört wird, werden bei dem Verfahren zur Herstellung des Fotovoltaikmoduls der 5, die unter der Lötstelle angeordneten Bereiche 33 der leitfähige Schichten 20 und 40 sowie der lichtempfindliche Schicht 30 aufgrund des geringeren Temperaturstresses nicht zerstört. Insbesondere kann eine Delamination zwischen den Schichten 20, 30, 40 und zwischen den Schichtlagen der Schicht 40 verhindert werden.
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Somit kann der Bereich 33 der lichtempfindlichen Schicht 30, der unter der Kontaktfläche 41 der leitfähigen Schicht 40 liegt, zur Spannungserzeugung genutzt werden. Dies hat zur Folge, dass die komplette Randzelle 1, die der Rückkontaktzelle des Fotovoltaikmoduls entspricht, als Fotozelle zur Spannungserzeugung genutzt werden kann. Die Randzelle wird daher derart ausgebildet, dass die leitfähige Schicht 40 der Rückkontaktzelle 1 durch die lichtempfindliche Schicht 30 von der leitfähige Schicht 20 isoliert ist. Da die leitfähigen Schichten 30 und 40 nicht durch einen ohmschen Kontakt miteinander verbunden sind, trägt die gesamte lichtempfindliche Schicht 30 der Randzelle 1 zur Ladungsträgererzeugung bei.
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Da eine Delamination der Schichtlagen der leitfähigen Schicht 40 durch den reduzierten thermischen Stress verhindert wird, ist auch der Einsatz von haftvermittelnden Schichten, die bisher eine Reduzierung des Fotostroms bedingt haben, nicht mehr erforderlich. Insbesondere kann die haftvermittelnde Schichtlage 44 zwischen der leitfähigen transparenten Oxidschichtlage 41 und der reflektierenden Schichtlage 42 der Schicht 40 entfallen. Die reflektierende Schichtlage 42 kann somit unmittelbar über der leitfähigen transparenten Oxidschichtlage 41 angeordnet werden. Dadurch wird eine Absorption von Lichtstrahlung an der reflektierenden Schicht vermieden und der Wirkungsgrad der Fotozelle erhöht.
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Bei der Ausführungsform des Fotovoltaikmoduls gemäß 5 kann die zur Landungsträgererzeugung nutzbare, nicht zerstörte Randzelle 1 eine Breite D2, beispielsweise 10 mm, aufweisen die der Breite D2 der übrigen Fotozellen entspricht. Wenn die Randzelle 1 die gleiche Breite wie die übrigen Fotozellen aufweist, kann eine Stromlimitierung in der Serienschaltung der Fotozellen vermieden werden. Die Randzelle 2, die lediglich als Kontakt dient, kann im Vergleich zu den übrigen Zellen Z1, Z2 und 1 mit einer reduzierten Breite D4, beispielsweise einer Breite von 6 mm, hergestellt werden.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Trägersubstrat
- 20
- leitfähige Schicht
- 30
- lichtempfindliche Schicht
- 40
- leitfähige Schicht
- 41
- Kontaktfläche
- 50
- Folienmaterial
- 60
- Trägersubstrat
- 100
- Schichtanordnung
- 200
- elektrischer Leiter
- 210
- Kontaktanschluss
- 220
- Verbindungsleiter
- 300
- Lotmaterial
- 500
- Thermode
- 1000
- Fotovoltaikmodul