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Die Erfindung betrifft ein Solarzellenmodul und Verfahren zu dessen Herstellung.
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Stand der Technik
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Aus dem Stand der Technik bekannte Solarzellen-Module auf der Basis von Halbleitern bestehen aus einer Gesamtheit von Solarzellen. In diesen wird unter der Wirkung eines äußeren Lichteinfalls eine elektrische Spannung erzeugt. Die Solarzellen sind zweckmäßig miteinander verschaltet, um von dem Solarzellen-Modul eine möglichst hohe Stromstärke abgreifen zu können. Damit ist eine Kontaktierung der Solarzellen und eine zweckmäßige Leitungsführung innerhalb des Solarzellen-Moduls notwendig.
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Bei bekannten Solarzellen-Modulen werden zur Leitungsführung sogenannte Bändchen oder Strings verwendet, bandförmig ausgebildete Leiterabschnitte aus Metall, insbesondere Kupfer. Bei herkömmlichen Solarmodulen sind diese von einer oberen lichtaktiven Seite einer Solarzelle auf eine lichtabgewandte rückwärtige Seite einer benachbarten Solarzelle geführt. Die Kontaktierung zwischen einem Bändchen und den damit verschalteten Solarzellen erfolgt üblicherweise mittels einer Weichlotverbindung. An den Kontaktstellen zwischen dem Bändchen und der Solarzelle befinden sich auf den Solarzellen metallisierte Kontaktbereiche, auf denen die Lotverbindung vorgenommen wird.
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Zum Erhöhen der Lichtausbeute derartiger Solarzellen-Module wurden Versuche unternommen, die beschriebenen Kontaktierungen vollständig auf der lichtabgewandten rückwärtigen Seite der Solarzellen anzuordnen. Die lichtabgewandte Seite bildet dann eine Kontaktseite der jeweiligen Solarzelle. Dabei müssen die auf der gemeinsamen Kontaktseite angeordneten Kontaktbereiche mit unterschiedlichen Potentialen kontaktiert werden. Bei einer Vielzahl von Solarzellen in einer zu realisierenden Verschaltung und einer gegebenen geometrischen Anordnung werden durch dieses Erfordernis erhebliche Ansprüche an die Genauigkeit der Kontaktierungen gestellt, um Fehlschaltungen und Kurzschlussverbindungen sicher zu vermeiden.
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In früheren Patentanmeldungen der Anmelderin sind Solarzellenmodule mit rückseitenkontaktierten Solarzellen sowie Verfahren zu deren Herstellung eines Solarzellenmoduls mit rückseitenkontaktierten Solarzellen beschrieben, bei denen zur Leitungsführung anstelle einzelner Bändchen ein folienartiger nichtleitender Träger mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung eingesetzt wird. Die leitfähige Beschichtung liegt auf der von den Solarzellen-Rückseiten abgewandten Fläche des Trägers und wird über mit Kontaktiermaterial ausgefüllte Durchbrüche mit Anschlusskontakten der Solarzellen verbunden.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung stellt ein Solarzellenmodul mit den Merkmalen des Anspruches 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines solchen bereit, welches die Merkmale des Anspruches 8 aufweist.
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Demnach ist erfindungsgemäß zur Realisierung der Verbindungsleiter ein abschnittsweise Leitschichten aufweisendes und lokal mit den Solarzellen elektrisch kontaktiertes Verschaltungs-Trägersubstrat mit einer elektrisch isolierenden Tragschicht oder ein Stapel aus solchen Trägersubstraten mit mehreren elektrisch isolierenden Tragschichten und mehreren durch die Tragschichten voneinander isolierten Leitschichten vorgesehen, das/der mit Isolations-Abstandshaltern und/oder einer isolierenden Schicht zu den Solarzellen-Rückseiten verlegt ist.
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Dabei ist mindestens ein Teil von Kontaktabschnitten zur Kontaktierung der Solarzellen und/oder zur lokalen Verbindung mehrerer Leitschichten des Stapels miteinander durch mit einer Leitpaste oder -tinte, die mit dem Material der oder jeder Leitschicht kompatibel ist, verfüllte Durchgangslöcher oder Sacklöcher im Verschaltungs-Trägersubstrat oder dem Stapel gebildet.
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In einer besonders praxistauglichen Ausführung weist die Leitpaste oder -tinte einen fein verteilten, hoch leitfähigen Füllstoff, insbesondere Nanopartikel und/oder ein Sintermaterial, auf. Spezieller weist die Leitpaste oder -tinte einen auf Kupfer oder Aluminium direkt ankontaktierenden und unter Sauerstoff- und Feuchteeinfluss korrisionsfreien oder -trägen Klebstoff auf.
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Es versteht sich, dass gemäß der Erfindung und den vorstehend genannten Ausgestaltungen im fertigen Solarmodul ein leitfähiger verfestigter Zustand der in die Durchgangs- oder Sacklöcher eingebrachten Leitpaste oder -tinte vorliegt. Zur Überführung des pasten- bzw. tintenartigen Ausgangszustands in den verfestigten Endzustand kann auf bewährte Trocknungs- bzw. Vernetzungstechnologien zurückgegriffen werden, von einfacher Lufttrocknung bis zu den verschiedenen Möglichkeiten strahlungsinduzierter oder chemisch initiierter Härtung oder Vernetzung in geeigneter Komponenten des Ausgangsmaterials.
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In einer weiteren Ausführung ist vorgesehen, dass auf der den Solarzellen abgewandten Oberfläche der Tragschicht oder der äußersten Tragschicht des Stapels am Ort der Kontaktabschnitte lokal isolierende Kunststoffabdeckungen vorgesehen sind. Auch hier kann der Ausgangszustand der isolierenden Kunststoffabdeckungen pastös sein, und das Herstellungsverfahren umfasst einen Schritt der Aushärtung bzw. Vernetzung dieser Kunststoffpaste.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist die Tragschicht aus, optional faserverstärktem Material, insbesondere Kunststoff, gebildet. Insbesondere ist das Verschaltungs-Trägersubstrat als beidseitig kupferkaschierte Kunststofffolie ausgebildet. Es können daher zur Herstellung des Verschaltungs-Trägersubstrats des Solarzellenmoduls grundsätzlich etablierte Technologien der Leiterplattenherstellung genutzt und ggfs. sogar kommerziell verfügbare Produkte eingesetzt werden.
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In einer weiteren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens ein Teil der Kontaktabschnitte zur Kontaktierung der Solarzellen und/oder zur lokalen Verbindung beider Leitschichten miteinander durch vorkonfektionierte, mit einer leitfähigen Füllung oder Auskleidung versehene Durchgangslöcher im Verschaltungs-Trägersubstrat gebildet ist. Insoweit sind die Öffnungen im Verschaltungs-Trägersubstrat mit geeigneter leitfähiger Füllung oder Auskleidung bereits vor Beginn des Assemblierungs-Ablaufes des Solarzellenmoduls vorhanden und werden als Kontaktanschlüsse lediglich geeignet positioniert, was den Prozessablauf natürlich verkürzt und vereinfacht.
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Das Vorsehen eines Verschaltungs-Trägersubstrats anstelle diskreter Leiterbändchen bietet die Möglichkeit einer vereinfachten Einbindung elektronischer Bauelemente, die neben den Solarzellen in einem Solarzellenmodul typischerweise vorhanden sind. Diese sind dann nämlich vorzugweise direkt auf dem Verschaltungs-Trägersubstrat platziert und elektrisch angeschlossen.
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Die erfindungsgemäße Verfahrensführung weist folgende Schritte auf:
- – Bereitstellen einer Mehrzahl von Solarzellen (3) mit rückseitigen Anschlusskontakten,
- – Bereitstellen eines vorkonfektionierten Verschaltungs-Trägersubstrats, welches auf einer Oberfläche einer elektrisch isolierenden Tragschicht eine Leitschicht aufweist, oder eines Stapels aus mehreren derartigen Verschaltungs-Trägersubstraten,
- – Strukturieren und optional lokales Durchkontaktieren der Leitschicht oder Leitschichten gemäß einer vorbestimmten Schaltungskonfiguration der Solarzellen zur Bildung des Solarzellenmoduls,
- – Aufsetzen der Solarzellen mit den Solarzellen-Rückseiten auf das Verschaltungs-Trägersubstrat oder den Stapel in vorbestimmter geometrischer Anordnung,
- – Ausführen von das Verschaltungs-Trägersubstrat oder den Stapel vollständig oder bis zu einer vorbestimmten Tiefe durchbrechenden lokalen Perforationen zum Erzeugen von Durchbrüchen selektiv, insbesondere koordinatengesteuert, an den Orten der Anschlusskontakte der Solarzellen und ggfs. an weiteren Orten,
- – Einbringen einer Leitpaste oder -tinte in die Durchbrüche zur Kontaktierung der oder zu den Solarzellen benachbarten Leitschicht mit Anschlusskontakten der Solarzellen oder zur Kontaktierung mehrerer Leitschichten miteinander. Die Kontaktierung der Leitschichten miteinander kann auch vorab und beispielsweise galvanisch geschehen.
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In einer Ausführung dieses Verfahrens ist vorgesehen, dass das Bereitstellen des vorkonfektionierten Verschaltungs-Trägersubstrats eine vorgelagerte Strukturierung mindestens einer der beiden Leitschichten aufweist. Eine weitere Ausführung sieht vor, dass das Bereitstellen des vorkonfektionierten Verschaltungs-Trägersubstrats eine vorgelagerte Erzeugung von sich zwischen den beiden Leitschichten erstreckenden Durchbrüchen und deren Verfüllung oder Auskleidung mit einem leitfähigen Material aufweist. Beides ermöglicht eine Verlagerungen ansonsten in den Assemblierungs-Ablauf einzuordnenden Schritten in die Zuliefer-Sphäre und vereinfacht und verkürzt den Prozessablauf beim Produzenten der Solarzellenmodule. Es versteht sich, dass beide Ausführungen auch mit spezifischen Strukturierungs- und/oder Kontaktierungs-Schritten kombiniert sein können, welche in den Assemblierungs-Ablauf eingeordnet sind und mit denen spezifische Konfigurations-Anforderungen erfüllt werden.
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In einer weiteren Ausführung ist, abhängig vom konkreten Aufbau des vorkonfektionierten Verschaltungs-Trägersubstrats, dem Aufsetzen der Solarzellen auf dieses ein Schritt des Bereitstellens von Isolations-Abstandshaltern und/oder einer Isolierfolie oder des Aufbringens einer Isolierschicht auf die Solarzellen-Rückseiten, vor dem Aufsetzen der Solarzellen auf das Verschaltungs-Trägersubstrat vorgelagert. Vorteilhafterweise kann dieser Schritt ein Laminieren der Solarzellen mit Isolationsfolien, insbesondere EVA- oder Silikon-Folien, aufweien. Noch spezieller umfasst der Schritt des Laminierens mit Isolationsfolien das gleichzeitige Fixieren auf einer Glasplatte als mechanischem Träger des Solarzellenmoduls. Mit den letztgenannten Ausführungen lassen sich in vorteilhafter Weise Schritte zum Herstellen der elektrischen Verschaltung der Solarzellen mit Schritten zur dichten Verkapselung und mechanisch stabilen Fixierung auf einem Träger kombinieren und hierdurch Vereinfachungen und Beschleunigungen des Verfahrensablaufs realisieren.
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In einer Ausgestaltung der letztgenannten Ausführungsform umfasst das Bereitstellen einer Isolierfolie oder Aufbringen einer Isolierschicht das Versehen derselben mit Ausnehmungen am Ort von Kontaktabschnitten zur Kontaktierung der Solarzellen. Dies kann durch Bereitstellen einer entsprechend vorkonfigurierten Isolier- oder Laminierungsfolie (ggfs. in Form einzelner Streifen) und/oder durch zeitnahe Strukturierung derselben im Montageprozess, also unmittelbar vor dem Aufsetzen der Solarzellen auf das Verschaltungs-Trägersubstrat, oder auch nach dem Aufsetzen und Laminieren geschehen.
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Neben den weiter oben genannten Vorteilen spezieller Ausführungen hat die Erfindung den wesentlichen Vorteil, die Realisierung unterschiedlicher Verschaltungskonzepte der Solarzellen in einem Solarzellenmodul, wie etwa eine parallele- und gekoppelt serielle Verschaltung der Zellen, sowie zusätzliche Funktionen innerhalb der Verschaltung, z. B. das Sichern der Zelle durch Bypass-Dioden, einfach und flexibel zu realisieren. Weitere Vorteile sind:
- – eine sichere und schnelle Kontaktierung der Zelle ohne hohe Anforderungen an die Montagegenauigkeit,
- – eine hohe Stromtragfähigkeit der Kontaktierung, daraus resultierend geringere Verschaltungsverluste im Modul und damit ein höherer Modulwirkungsgrad,
- – die Bereitstellung eines großserientauglichen und kostengünstigen (Batch-)Prozesses,
- – die Möglichkeit der Realisierung komplexer Leitungsführungen, etwa mit Kreuzungspunkten und
- – die Möglichkeit der Nutzung/Integration elektronischer Bauelemente, Prozessoren, Sensoren usw.
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Zeichnungen
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäßen Photovoltaik-Module sollen nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden. Es ist zu beachten, dass die Zeichnungen nur beschreibenden Charakter haben und nicht dazu gedacht sind, die Erfindung in irgendeiner Form einzuschränken. Es zeigen:
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1 eine Prinzipskizze zur Verdeutlichung von Aspekten der Erfindung in Form einer Querschnittsdarstellung,
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2A und 2B ein schematisches Verschaltungs-Layout sowie eine Detailansicht einer Ausführungsform der Erfindung und
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3A bis 3E skizzenartige Darstellungen zur Illustration einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.
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1 zeigt in einer synoptischen Darstellung, die lediglich zur Verdeutlichung von Aspekten der Erfindung dienen und keine praxisrelevante Schaltungskonfiguration darstellen soll und im Übrigen nicht maßstäblich ist, einen Ausschnitt aus einem Solarzellenmodul 1 aus Solarzellen 3, die mit einer ersten und zweiten EVA-Folie 5a, 5b laminiert und auf einem Glasträger 7 angeordnet sind. Die dem Glasträger zugewandten Oberflächen der Solarzellen sind deren photoaktive Oberflächen (Vorderseiten), und auf den gegenüberliegenden Oberflächen (Rückseiten) sind Anschlusskontakte 9 zur Verschaltung der Solarzellen 3 angeordnet. Diese Verschaltung wird durch einen Stapel 11 aus zwei Verschaltungs-Trägersubstraten bewerkstelligt, welcher auf den Rückseiten der Solarzellen angeordnet ist.
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Der Stapel 11 umfasst als elektrisch isolierende Tragschichten je eine Kunststofffolie 13a, 13b und auf diesen angeordnete strukturierte Leitschichten 17a, 17b. In Durchgangslöchern des Stapels 11, die gemäß den Anschlusskontakten 9 der Solarzellen 3 und dem Verschaltungsplan platziert sind, sind jeweils durch Einfüllen einer Leitpaste oder -tinte und anschließendes Trocknen bzw. Aushärten Kontaktpunkte 19 gebildet, die über eine der beiden Leitschichten 17a, 17b ausgewählte Kontakte verschiedener Solarzellen 3 miteinander verbinden oder auch nur eine Verbindung der beiden Leitschichten miteinander herstellen können. Die Kontaktpunkte 19 sind mit Kunststoffkappen 23 abgedeckt, die durch lokalen Auftrag und anschließendes Aushärten bzw. Vernetzen einer Kunststoffpaste gebildet werden.
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Welche Verbindungen letztlich elektrisch wirksam ausgebildet werden, ergibt sich bei der hier dargestellten Ausführung aus der konkreten Leiterstruktur der beiden Leitschichten. So soll die Figur darstellen, dass die beiden linken Kontaktpunkte eine Verbindung der jeweils linken Anschlusskontakte der linken und mittleren Solarzelle 3 über die Leitschicht 17b herstellen, während die (durch die in Rede stehenden Kontaktpunkte ebenfalls kontaktierte) zweite Leitschicht 17a zwischen den Kontaktpunkte unterbrochen und somit effektiv nicht angeschlossen ist. Auf der anderen Seite sind die beiden rechten Kontaktpunkte elektrisch wirksam an die Leitschicht 17a angeschlossen, und über diese werden der rechte Anschlusskontakt der mittleren Solarzelle und der linke Anschlusskontakt der rechten Solarzelle miteinander verbunden, während der außerdem bestehende elektrische Kontakt der genannten Punkte mit der anderen Leitschicht 17b wirkungslos bleibt, weil diese zwischen den Kontaktpunkten unterbrochen ist.
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Als weiterer Aspekt der Erfindung ist auf der rechten Seite der Figur ein vorkonfektioniertes Durchgangsloch 21 dargestellt, welches mit einer (beispielsweise galvanisch erzeugten) leitfähigen Auskleidung 21a versehen ist. In der Darstellung verbindet die leitfähige Auskleidung 21a die beiden Leitschichten 17a, 17b miteinander, steht aber nicht in Verbindung mit einem Solarzellenkontakt. Dies kann sich natürlich in der praktischen Ausführung einer gewünschten Schaltungskonfiguration anders darstellen.
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Zusätzlich zu den in der Figur dargestellten Durchgangslöchern können im Verschaltungs-Trägersubstrat im Bedarfsfall auch Sacklöcher angeordnet sein, die von vornherein nur eine Kontaktierung einer der beiden Leitschichten zulassen. Im Übrigen können Kontaktpunkte auch in mit vorkonfektionierter Auskleidung versehenen Öffnungen des Verschaltungs-Trägersubstrates ausgebildet sein.
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In ähnlicher Weise wie in 1 dargestellt, kann auch ein Verschaltungs-Trägersubstrat mit nur einer isolierenden Tragschicht und nur einer Leitschicht eingesetzt und mit den Solarzellen kontaktiert werden.
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2A und 2B zeigen ein erstes Sub-Array 1a und ein zweites Sub-Array 1b aus jeweils matrixförmig angeordneten Solarzellen 3, wobei die beiden Sub-Arrays durch einander kreuzende erste Verbindungsleitungen 4a und zweite Verbindungsleitungen 4b miteinander verschaltet sind. In einem Teil der ersten Verbindungsleitung 4a sind Bypass-Dioden 6 direkt eingebunden. An Stelle oder zusätzlich zu Bypass-Dioden können in die Verschaltung unter Nutzung eines Mehrebenen-Trägersubstrats auch andere elektronische Bauelemente oder Schaltkreise, beispielweise auch Logik-Bausteine, eingefügt sein. Durch relativ geringfügige Modifikationen des Layouts der Leitschichten lassen sich sowohl parallele als auch serielle Verschaltungen als auch Kombinationen zwischen diesen unaufwendig realisieren.
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Wie 2B schematisch zeigt, kann eine solche Verschaltung vorteilhaft unter Nutzung der Erfindung gebildet werden, indem etwa (unter Rückgriff auf die Darstellung und Bezeichnungsweise in 1) die ersten und zweiten Verbindungsleitungen durch das Verschaltungs-Trägersubstrat 11 gebildet sind. Im Wesentlichen verlaufen beide Gruppen von Verbindungsleitungen hier auf dessen Oberseite, also in einer geeignet strukturierten Leitschicht 17a. Im Bereich der Kreuzungspunkte der ersten und zweiten Leitungen 4a, 4b jedoch ist eine „Brücke“ 8 über einen Abschnitt der unteren Leitschicht 17b und zwei Kontaktpunkten 19.1, 19.2 gebildet. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, dass der Einsatz Trägersubstrat-Stapels mit mehr als zwei Leitschichten in ähnlicher Weise eine Realisierung von Leitungsüberkreuzungen in mehr als zwei Ebenen ermöglicht.
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3A zeigt schematisch ein Ausgangsmaterial 11’’ eines einfachen Verschaltungs-Trägersubstrats 11’, welches in einer vereinfachten Montagekonfiguration in Art der in 1 gezeigten anstelle des dortigen Trägersubstrats-Stapels 11 eingesetzt werden kann. Das Rohmaterial 11’’ besteht aus einer Bahn einer isolierenden Kunststofffolie 13a und einer Cu-Folie 17a, die durch Laminieren oder Verpressen auf die Oberfläche der Tragschicht aufgebracht ist. Das Laminieren oder Verpressen kann in Zuschnitten geschehen, wie z. B. aus der Leiterplattentechnologie bekannt, oder aber in einem Rolle-zu-Rolle-Verfahren, wie es z. B. bei der Herstellung von EndlosFlexschaltungen eingesetzt wird.
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Mit an sich bekannten photolithographischen und Ätzverfahren wird eine Strukturierung der Leitschicht 17a ausgeführt, wodurch das einsatzfertige Verschaltungs-Trägersubstrat 11’ entsteht; vgl. 3B. Beim Hersteller des Solarzellenmoduls werden das Verschaltungs-Trägersubstrat 11, die Solarzellen 3, die Laminierungsfolien 5a, 5b und der Glasträger 7 zur Assemblierung eines Solarzellenmoduls bereitgestellt und in geeigneter Konfiguration zueinander platziert, was in 3C dargestellt ist.
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3D zeigt den zusammengefügten Zustand des Schichtstapels, der mit an sich bekannten Herstellungsprozessen für Solarzellenmodule unter Einsatz erhöhter Temperatur und von Vakuumschritten erreicht wird. Durchkontaktierungsöffnungen (Vias) durch das Verschaltungs-Trägersubstrat 11 sind, am Ort ausgewählter Anschlusskontakte der Solarzellen 3 gebildet, beispielsweise mittels Laserbohrtechniken.
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Die Vias werden anschließend, beispielsweise mittels eines koordinatengesteuerten Dispensers oder auch unter Einsatz einer Tintenstrahl-Druckvorrichtung, mit einer Leitpaste oder -tinte gefüllt, und diese wird, beispielsweise unter Einsatz von IR- oder UV-Strahlung und/oder eines chemischen Härtungs-Initiators, zur Verfestigung gebracht. Dadurch entsteht ein leitfähiger Kontaktpunkt 19’. Dieser wird anschließend noch mit einer in ähnlicher Weise wie die Leitpaste oder -tinte lokal aufgebrachten Kunststoffkappe 23’ elektrisch isoliert und gegen Umgebungseinflüsse (Korrosion) geschützt. Es entsteht der in 3E gezeigte Zustand des montierten und verschalteten Solarzellenmoduls 1.
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Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.