DE102011114396A1

DE102011114396A1 - Verfahren zur elektrischen Reihenverschaltung von Solarzellen

Info

Publication number: DE102011114396A1
Application number: DE102011114396A
Authority: DE
Inventors: Yonas Zemen
Original assignee: Solon SE
Current assignee: Solon SE
Priority date: 2011-09-20
Filing date: 2011-09-20
Publication date: 2013-03-21

Abstract

Die elektrische Verschaltung von Solarzellen erfolgt bislang durch Löten oder Leitkleber-Kleben. Nachteilig beim Löten sind die auftretenden thermischen Spannungen, nachteilig beim Kleben ist die lange Aushärtezeit des Leitklebers, die sich nachteilig auf die Taktzeit bei der Prozessierung auswirkt. Bei dem Verfahren gemäß Hauptanmeldung 10 2010 054 400.0 werden deshalb Zellverbinder während der Prozessierung zunächst vorfixiert durch Setzen von zumindest zwei Lötmittelpunkten pro Solarzelle und anschließend kontaktiert und endfixiert durch Aufbringen und Aushärten von Leitkleberflächen. Die Weiterbildung gemäß Zusatzanmeldung sieht nun den Einsatz eines Lötmittels mit einer Schmelztemperatur unterhalb der Aushärtetemperatur des Leitklebers vor. Dadurch kann ein Ausbeulungseffekt des Zellverbinders während der Aushärtung des Leitklebers vermieden werden. Auch mit dem modifizierten Verfahren können automatisiert beliebige Typen von Solarzellen mit beliebiger Kontaktierung in beliebig konzipierten Solarzellenmatrizen elektrisch miteinander verbunden werden.

Description

Die vorliegende Zusatzanmeldung zur deutschen Patentanmeldung 10 2010 054 400.0 bezieht sich auf ein Verfahren zur elektrischen Reihenverschaltung von Solarzellen durch elektrisch leitendes Verbinden von Leitelementen auf benachbarten Solarzellen mittels Zellverbindern, wobei jede Solarzelle zumindest ein den Pluspol kontaktierendes Leitelement und zumindest ein den Minuspol kontaktierendes Leitelement aufweist, gemäß der deutschen Patentanmeldung 10 2010 054 400.0 .
Unter Beibehaltung der Grundidee der Hauptanmeldung werden die dort aufgeführten 13 Patentansprüche um einen weiteren Unteranspruch ergänzt Der Anspruch 1 in der Zusatzanmeldung entspricht als Alternative zu Anspruch 6 in der Hauptanmeldung 10 2010 054 400.0 einem Anspruch 6A mit einem Rückbezug auf zumindest einen der vorangehenden Ansprüche 1 bis 5, wobei sich die nachfolgenden Ansprüche 7 bis 13 der Hauptanmeldung 10 2010 054 400.0 dann auch auf den Anspruch 1 der Zusatzanmeldung (= Anspruch 6A der Hauptanmeldung 10 2010 054 400.0) rückbeziehen.
Mehrere Solarzellen werden elektrisch leitend miteinander verbunden und bilden eine Solarzellenmatrix (eine Solarzellenreihe (String) oder ein Solarzellenfeld (Array)), das Kernstück eines Solarmoduls (gerahmt mit weiteren elektronischen Einrichtungen oder ungerahmt als flexibles Laminat (Solarpaneel) mit weiteren elektronischen Einrichtungen, die ebenfalls einlaminiert sind). Bei einer Solarzellenmatrix ist ein Leitelement, das mit dem Pluspol einer Solarzelle gekoppelt ist, über einen elektrisch leitfähigen Zellverbinder mit einem Leitelement verbunden, das mit dem Minuspol einer benachbarten Solarzelle gekoppelt ist. Die gegenpoligen Leitelemente benachbarter Solarzellen werden in Reihe geschaltet, sodass ein Strom fließen kann. Dabei können die Leitelemente punktförmig (Punktkontakte), linear (Streifenkontakte) oder flächig (Kontaktschicht) ausgebildet sein. Durch eine Wiederholung der Verbindung von Solarzellen werden mehrere Solarzellen in Reihe geschaltet, die dann parallel geschaltet werden können, sodass die Ausgangsspannung und/oder der Ausgangsstrom der Solarzellenmatrix erhöht werden kann. Die elektrische Verschaltung von Solarzellen in der Solarzellenmatrix ist ein wesentlicher Aspekt in der Modulfertigung, um die zuverlässige Kontaktierung der Solarzellen sicherzustellen. Dabei stellen insbesondere Dünnschicht-Solarzellen besondere Anforderungen an die Verbindungstechnik. Hier stoßen etablierte Verbindungstechniken, wie das Löten, an ihre Grenzen, sodass in letzter Zeit zunehmend Techniken mit Leitklebern, in der Regel leitfähige Partikel in Kunststoffbasis, entwickelt wurden. Während beim Löten Temperaturen von über 200°C und häufig ein zusätzlicher Flussmittelauftrag erforderlich sind, lassen sich gängige Leitkleber bereits bei Temperaturen von 110°C bis 150°C aushärten, benötigen dafür aber eine entsprechende Aushärtezeit. Beim Kleben der Zellverbinder auf die Solarzellen können sich die durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Solarzelle und Zellverbinder hervorgerufenen Spannungen ausgleichen, da der Kleber beim Aushärten nicht – wie Lötmittel – schlagartig erstarrt. Für die Zellen bedeutet dies verminderten thermomechanischen Stress, die Gefahr der Mikrorissbildung und damit Zellbruch werden so minimiert. Damit kann die elektrische Verbindung unabhängig von Randbedingungen (beim Löten werden in der Regel die Randbereiche nicht gelötet, um den Zellbruch zu begrenzen) gestaltet werden. Bei einer begrenzten Maximaltemperatur dauert es aber relativ lange, bis die Klebeverbindung mechanisch belastbar ist. Deshalb müssen Zellverbinder und Solarzelle beim Einsatz von Klebetechniken lange zueinander fixiert werden. Damit ergibt sich entweder eine lange Taktzeit oder ein entsprechend hoher Raum- und Investitionsaufwand, wenn mehrere Verbindungseinheiten parallel oder hintereinander angeordnet werden, um die Taktzeit zu verkürzen. Außerdem ist die Zusammensetzung der Leitkleber durch die Forderung nach möglichst kurzer Aushärtezeit eingeschränkt.
Eine gelötete Verbindung ist hingegen unmittelbar nach dem Löten belastbar, die verbundenen Solarzellen können sofort weiterverarbeitet werden. Die thermischen Spannungen, die sich auf Grund der Materialkombination zwischen Solarzelle (beispielsweise Silizium) und Zellverbinder (beispielsweise Kupfer-Verhältnis der Ausdehnungskoeffizienten 1:5) nicht vermeiden lassen, werden aber auf dem Niveau der Schmelz- bzw. Erstarrungstemperatur des eingesetzten Lötmittels eingefroren. Weiterhin sind Lötmittel (Lot) auf Grund der verfügbaren Legierungsbestandteile nur für bestimmte Schmelz- bzw. Erstarrungstemperaturen verfügbar. Außerdem schmilzt ein Lötmittel bei der gleichen Temperatur wieder auf, bei der es auch erstarrt ist (Niedertemperaturlot, Schmelz-/Erstarrungspunkt unterhalb von ca. 150°C). Dies steht im Gegensatz zu einem Leitkleber, der nach dem Aushärten ein weitgehend temperaturbeständiger duroplastischer Werkstoff ist. Hier wirken sich höhere Temperaturen im Gegenteil gut auf die Aushärtung und die Aushärtezeit aus. So kann beispielsweise ein Leitkleber beim Laminieren einer Solarmatrix noch gut aushärten. Sowohl das Löten als auch das Kleben von Zellverbindern an Solarzellen zeigen somit Vor- und Nachteile.
Stand der Technik
Der der Erfindung gemäß Hauptanmeldung 10 2010 054 400.0 und gemäß Zusatzanmeldung nächstliegende Stand der Technik wird in der DE 21 2009 000 025 U1 beschrieben. Es werden Solarzellen in Reihe verschaltet, indem die Leitelemente in Form von stromsammelnden streifenförmigen Leiterbahnen, so genannte „Busbars”, entsprechend ihrer Polung mit streifenförmigen Zellverbindern ausschließlich durch Zwischenlage von Leitkleberflächen aus einem elektrisch leitfähigen Leitkleber verbunden werden. Zur teilweisen Isolierung der Zellverbinder gegenüber den Leiterbahnen zur Vermeidung von Kurzschlüssen sind weiterhin dielektrische Bereiche zwischen dem Zellverbinder und den Leiterbahnen vorgesehen. Diese können als dielektrische Klebestreifen ausgebildet sein, die um den Zellverbinder herumgewickelt sind, wobei die Klebeflächen in Richtung auf den Zellverbinder gerichtet sind und der Befestigung des Klebestreifens am Zellverbinder dienen. Eine Fixierung des Zellverbinders auf der Solarzelle erfolgt aber über die dielektrischen Klebestreifen nicht, sondern ausschließlich über den Leitkleber, wenn dieser ausgehärtet ist, sodass sich die Taktzeit der Prozessierung nach der Aushärtzeit des Leitklebers richtet.
Weiterhin ist es allgemein und auch auf dem Gebiet der Photovoltaik aus dem Stand der Technik bekannt, dass sich Materialien mit unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten unter Wärmeeinfluss unterschiedlich ausdehnen (vergleiche beispielsweise DE 10 2009 009 036 A1 ; DE 10 2008 037 821 A1 ; DE 198 21 221 A1 ). Eine Solarzelle, in der Regel aus einem Siliziumschichtverbund, und ein Zellverbinder, in der Regel aus Kupfer, weisen häufig deutlich unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten auf. Ist ein solcher Zellverbinder mit einer solchen Solarzelle während einer Ewärmung punktuell fixiert, so kann es zu einer Ausbeulung des Zellverbinders zwischen den Fixierungspunkten kommen (so genannter „Ausbeulungseffekt”). Dieser ist in der Regel reversibel. Die Ausbeulung verschwindet weitgehend wieder während der Abkühlung durch entsprechend unterschiedliches Zusammenziehen von Solarzelle und Zellverbinder, es können aber ggfs. störende Restausbeulungen bestehen bleiben.
Aufgabenstellung
Somit ist die Aufgabe für die vorliegende Zusatzanmeldung darin zu sehen, eine das Verfahren gemäß Hauptanmeldung 10 2010 054 400.0 weiterbildende Maßnahme anzugeben, durch die ein möglicherweise auftretender Ausbeulungseffekt des vorfixierten Zellverbinders beim Aushärten des Leitklebers vermieden werden kann.
Die Lösung für diese Aufgabe besteht gemäß Patentanspruch 1 der vorliegenden Zusatzanmeldung darin, ein Lötmittel einzusetzen, dessen Schmelztemperatur unterhalb der Aushärtetemperatur des Leitklebers liegt.
Liegt gemäß Zusatzanmeldung nun die Schmelztemperatur unterhalb der Aushärtetemperatur des Leitklebers, so erfolgt während des thermischen Aushärtens des Leitklebers ein Wiederaufschmelzen der Lötmittelpunkte. Der Zellverbinder kann sich bei der Erwärmung entsprechend ausdehnen, das Auftreten eines Ausbeulungseffekts ist sicher vermieden. Durch das Aufschmelzen der Lötmittelpunkte, die der Vorfixierung dienen, wird zwar auch deren Fixierungswirkung aufgehoben. Dies ist aber insofern unkritisch, als dass der Zellverbinder während des Aushärtevorgangs des Leitklebers anderweitig in der Erwärmungsvorrichtung mechanisch fixiert ist bzw. keinen lageverändernden Kräften unterworfen ist. Nach der Aushärtung ist der Zellverbinder flächig mit der Solarzelle verbunden. Auftretende Spannungen durch ein stärkeres Zusammenziehen des fixierten Zellverbinders gegenüber der Solarzelle können durch das Leitkleberbett aufgenommen werden.
Die Hauptanmeldung 10 2010 054 400.0 lehrt gemäß Anspruch 6, ein Lötmittel einzusetzen, dessen Schmelztemperatur oberhalb der Aushärtetemperatur des Leitklebers liegt. Als Vorteil wird dafür ausgeführt, dass ein Wiederaufschmelzen der Lötmittelpunkte beim thermischen Aushärten des Leitklebers vermieden ist. Ggfs. kann aber der Ausbeulungseffekt auftreten. Der Anspruch 1 der Zusatzanmeldung ist als Alternative zu Anspruch 6 der Hauptanmeldung 10 2010 054 400.0 anzusehen, wenn der Ausbeulungseffekt vermieden werden soll.
Ausführungsbeispiele
Es gelten die Ausführungsbeispiele gemäß Hauptanmeldung 10 2010 054 400.0
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010054400 [0001, 0001, 0002, 0005, 0007, 0010, 0011]
DE 212009000025 U1 [0005]
DE 102009009036 A1 [0006]
DE 102008037821 A1 [0006]
DE 19821221 A1 [0006]

Claims

Verfahren zur elektrischen Reihenverschaltung von Solarzellen (01, 02) durch elektrisch leitendes Verbinden von Leitelementen (04, 07) auf benachbarten Solarzellen (01, 02) mittels Zellverbindern (20), wobei jede Solarzelle (01, 02) zumindest ein den Pluspol kontaktierendes Leitelement (07) und zumindest ein den Minuspol kontaktierendes Leitelement (04) aufweist, gemäß Hauptanmeldung 10 2010 054 400.0 nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5 oder 7 bis 13, gekennzeichnet durch Einsetzen eines Lötmittels (11), dessen Schmelztemperatur unterhalb der Aushärtetemperatur des Leitklebers (16) liegt.