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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herausführen der erzeugten elektrischen Energie, ohne Beeinträchtigung der Diffusionsdichtigkeit aus optoelektronischen Bauelementen mittels Crimpen.
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Die Optoelektronik setzt sich aus dem Gebiet der Optik und der Halbleiterelektronik zusammen. Sie umfasst Systeme und Verfahren, die die Umwandlung von elektronisch erzeugten Daten und Energien in Lichtemission ermöglichen oder Lichtemissionen in Energie umwandeln. Optoelektronische Bauelemente, insbesondere Organische Photovoltaikmodule und Organische Leuchtdioden (organic light emitting diode, OLED), im folgenden OPV-Module genannt, erzeugen elektrische Energie oder wandeln elektrische Energie in Lichtemissionen um, welche zur Anwendung im weiteren Verlauf aus dem Modul herausgeführt oder hineingeführt werden muss. Dazu ist eine Kontaktierung des Moduls notwendig. Photovoltaische Zellen sind auf Umwelteinflüsse wie Regen, Schnee, Wind sehr anfällig, weshalb sie beispielsweise mit einer Schutzfolie verkapselt sind. Diese Folien bestehen aus EVA (Ethylenvinylacetat) oder anderen geeigneten Materialien.
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Für die Herstellung einer elektrischen Verbindung zwischen dem Modul und dem Bauteil, welches den Strom aus dem Modul herausführt, ist der Busbar und/oder Verbinder so freizulegen, dass eine Kontaktierung möglich ist.
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Als Stand der Technik sind bereits Kontaktierungsverfahren von optoelektronischen Bauteilen bekannt. So wird in der WO 2009/ 132 468 A2 ein Verfahren bereitgestellt, bei dem die Kontaktierung u.a. mittels Bohren, Fräsen stattfindet. Dabei wird nach der vollständigen Lamination des Moduls, in einem bestimmten Bereich die Laminationsschicht vollständig durchstoßen oder abgetragen und der freigelegte Kontaktierungsbereich mittels eines von außen abgreifbaren Anschlusselements kontaktiert.
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Ein ähnlicher Lösungsansatz geht aus
EP 1 411 556 A1 hervor. Das Problem der Kontaktierung wird darin gelöst, dass vor Auftragung der Laminationsschicht, die Trägerschicht perforiert und der Kontakt hergestellt wird.
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In der
US 2009 0266 398 A1 erfolgt die Abtragung bis zu der Kontaktierungsschicht auf mechanische Weise, indem die Schichten abgebürstet, mit Sand abgestrahlt oder abgeschliffen werden.
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Weiterhin ist das Durchstoßen der Schichten bis zum Erreichen der Kontaktierungsschicht bekannt. Gemäß
KR 10 1 103 501 B1 erfolgt der Prozess selektiv an ausgewählten Stellen, an denen die Kontaktierung stattfinden soll.
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Eine weitere Lösung wurde in der
US 2011 030 8562 A1 gefunden. Darin wird ein Bauteil offenbart, dass eine Kontaktierung ohne zusätzliche Bohrungen oder Abtragungen ermöglicht. Das Bauteil besitzt die Form einer Klammer und weist an einer Seite Kontaktspitzen auf. Die Kontaktspitzen durchdringen einen Teil des Laminationsverbundes und stellen eine mechanische Verbindung mit der Kontaktschicht des Moduls her. Eine zusätzliche Versiegelung zum Erhalt der Diffussionsdichtigkeit ist nicht notwendig. Negativ wirkt sich die Ausführung der Klammer aus, welche lediglich eine begrenzte Anwendbarkeit zulässt. Die Klammer kann lediglich seitliche des Moduls herangeführt werden und bietet nur beschränkt die Möglichkeit, die Kontaktierung flexibel an dem Modul zu positionieren.
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WO 2008/ 093 118 A2 offenbart ein Verfahren zur Herstellung von dye-sensitized Solarzellen. Dabei wird zunächst auf einem Substrat eine erste Elektrode angeordnet und anschließend auf einem zweiten Substrat eine Gegenelektrode angeordnet, wobei die Gegenelektrode dahingehend strukturiert wird, dass zwischen einzelnen Abschnitten der Gegenelektrode isolierende Bereiche aus Kevlarfasern aufgebracht werden. Im Anschluss daran werden die beiden Substrate zusammengeführt und in den Zwischenraum der Elektrolyt eingebracht. Danach erfolgt eine Lamination der beiden Substrate.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Kontaktierung des Eingangs technisch genannten Gebietes bereitzustellen, welches die Probleme aus dem Stand der Technik überwindet, keinen negativen Einfluss auf die Diffusionsdichtigkeit hat, kostengünstig und weitestgehend maschinell durchführbar ist.
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Die Lösung der Aufgabe ist mit den Merkmalen des Anspruchs 1 definiert und vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den unteren Ansprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Kontaktierung optoelektronischer Bauelemente bereitgestellt, wobei eine elektrische und mechanische Verbindung mittels eines Crimpverfahrens erfolgt.
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Das Crimpverfahren ist eine Technologie, die zeit- und kostenintensive Lötverbindungen ersetzt. Darüber hinaus sind Crimpverbindungen kostengünstig und von hoher Qualität. Crimpverfahren werden überwiegend in der Elektrotechnik zum Erstellen einer homogenen und schwer lösbaren Verbindung zwischen Leiter und Verbindungselement eingesetzt. Dieses Prinzip wird in der vorliegenden Erfindung genutzt und auf die Optoelektronik angewendet.
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Dazu wird in einem Schritt a) zumindest ein vollständig laminiertes Modul, umfassend zumindest zwei optoelektronische Bauelemente so positioniert, dass wenigstens ein anzubringender Crimpkontakt unmittelbar über einem Verbindungsleiter, vorzugsweise wenigstens einem Busbar des Moduls, angeordnet ist. Die Positionierung des Crimpwerkzeugs geschieht mechanisch und/oder elektrisch, sowie manuell und/oder automatisch.
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Im weiteren Schritt b) erfolgt ein Bestücken eines Crimpwerkzeugs mit wenigstens einem Crimpkontakt, wobei die Ausgestaltung und das Material des Kontakts unterschiedlicher Art sein können.
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Als Material sind Metalle und Metalllegierungen oder -komposite, umfassend Aluminium (Al), Kupfer (Cu), Silber (Ag) oder andere leitende Materialien denkbar. Auch die Ausgestaltung des Crimpkontaktes ist variabel. Denkbar sind Crimpkontakte mit kurzen, langen oder gebogenen Crimpspitzen, welche zudem in der Anzahl variieren können. Zudem ist die Anwendung sogenannter Crimpstecker möglich. Diese sind wenigstens zweiteilig ausgeführt, wobei zumindest ein Element das Modul kontaktiert und zumindest ein weiteres Element auf der gegenüberliegenden Seite des Moduls als Verschluss der Kontaktierungsspitzen dient.
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In einem Schritt c) kommt es zu einem Ausrichten des Crimpwerkzeugs. Im Sinne der Erfindung ist mit dem Begriff „Ausrichten“ die Ausrichtung des Crimpkontaktes gemeint und umfasst die vertikale und horizontale Orientierung auf dem Modul. Zudem kann je nach Modulart vor dem Crimpen eine Höhenausrichtung des Werkzeugs notwendig sein.
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Nach Ausrichtung des Crimpwerkzeugs erfolgt in einem Schritt d) das Durchführen eines Crimpvorgangs, wobei ein elektrischer Kontakt zwischen zumindest einem Verbindungsleiter und zumindest einem Verbindungselement hergestellt wird, und wobei wenigstens eine Crimpspitze vor dem Durchdringen des Moduls mit einer Flüssigkeit oder Schmelze benetzt wird, wobei die Flüssigkeit oder die Schmelze Materialien umfasst, welche elektrisch leitend sind, anschließend das Modul durchdringt und der Kontaktbereich kurzfristig durch einen thermischen Energieeintrag erwärmt wird, wobei sich die Flüssigkeit oder die Schmelze mit dem Verbindungsleiter elektrisch leitend verbindet. Ein Verbindungsleiter ist ein Element, welches zur Weiterleitung der Energie im Modul dient. Als Verbindungselement ist ein Crimp definiert. Das Crimpen ist ein Vorgang der physikalischen Komprimierung oder Formung eines Kontaktes oder einer Kontakthülse rund um einen Draht oder einen Verbindungsleiter, um eine elektrische Verbindung herzustellen. Für eine optimale Zugentlastung ist die Anordnung zumindest eines weiteren Crimps vorteilhaft. Zudem ist als Zwischenschritt ein Probecrimpen denkbar, damit Fehlerquellen im Voraus vermieden werden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung des Crimpkontakts ist für eine Kontaktierung und einer festen und dauerhaften Verbindung ein Biegen und/oder Pressen der Crimpspitzen erforderlich. Dazu ist ein entsprechender Druck aufzubringen, sodass ein Durchdringen aller Modulschichten umfassend Durchstoßen, Schmelzen, Schneiden, Pressen erlaubt und die Crimpspitzen mit einem entsprechenden Gegendruck soweit gebogen werden, dass eine elektrische Verbindung zwischen den Kontakten hergestellt wird und das Modul weiterhin diffusionsdicht, sowie fest verbunden ist.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung handelt es sich bei dem Modul, umfassend optoelektronische Bauelemente um ein flexibles organisches Photovoltaik-Modul. Besonders die organischen Schichten der Photovoltaikzelle weisen eine starke Empfindlichkeit gegenüber Umwelteinflüsse umfassend Luft, Regen und Schnee auf. Daher bedarf es auf der Vorder- und Rückseite eine Schutzschicht, welche als Verbund die organische Photovoltaikzelle diffusionsdicht umschließt und ein OPV-Modul bildet. Für eine Kontaktierung des OPV-Moduls erweist sich dabei das Crimpverfahren als besonders vorteilhaft, da es ein schnelles unkompliziertes, dauerhaftes und im weitesten Sinne homogenes, sowie diffusionsdichtes Kontaktieren ohne Zwischenschritte wie Bohren oder Fräßen erlaubt. Das Anbringen des Crimps und die Kontaktierung erfolgt direkt in einem Vorgang.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung umfasst der Crimpvorgang ein Pressen und/oder Stecken, wobei das Modul im Bereich der Kontaktierung geöffnet wird und das Öffnen vorzugsweise ein Durchstoßen aller Modulschichten umfasst.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung weist der Pressvorgang einen derartigen Druck auf, dass ein mechanisches Crimpen der Kontakte erreicht wird. Als „mechanisches Crimpen“ ist das Crimpen mit einer Handcrimpzange oder einer Maschine zu verstehen. Dabei ist gesondert auf die Druckausübung unterhalb des Moduls zu achten. Crimpkontakte ohne Steckverbindung sind nach dem Durchdringen des Moduls mittels Pressdruck so zu verformen, dass eine möglichst dauerhafte Verbindung zwischen dem Crimpkontakt und dem Modul entsteht.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, umfasst das Crimpverfahren vor dem Durchdringen der Folie und des Metallbandes mit den Crimpspitzen ein Benetzen der Spitzen mit einer Flüssigkeit oder Schmelze, enthaltend Zinn, Zink, Silber, Kupfer oder andere leitende Materialien. Darauf folgt ein Durchdringen und Pressen oder Stecken des Moduls. Anschließend wird der Kontaktbereich kurzfristig durch thermische Energieeintragung erwärmt, damit sich die Flüssigkeit mit dem Verbindungsleiter elektrisch verbindet. Vorteilhaft an der Ausführung ist, dass Umwelteinflüsse, insbesondere Oxidationen zwischen dem Crimpkontakt und dem Modul, die eine Verringerung der Effizienz und/oder eine Zerstörung des Moduls verursachen damit vermieden werden und der elektrische Widerstand gleichbleibend ist. Ein Benetzten der Crimpspitzen erfolgt beispielsweise durch Eintauchen in einem Bad, mit einer der zuvor genannten Flüssigkeiten.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, umfasst die Flüssigkeit Materialien, welche elektrisch leitend sind und eine Schmelztemperatur aufweisen, die unter dem Schmelzpunkt der Isolationsschicht liegt, um eine Beschädigung der Isolationsschicht des Moduls zu vermeiden. In einer vorteilhaften Ausgestaltung weist das Modul eine Isolationsschicht aus Kunststoff mit einer Schmelztemperatur von über 250°C auf, der bei einer zuvor beschriebenen Verbindung zwischen der Flüssigkeit und dem Modul nicht überschritten werden darf.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das Crimpbauelement mittels Steckverbindung verbunden. Dabei besteht das Crimpbauelement aus wenigstens zwei Teilen, wobei eines mit Crimpspitzen versehen ist und das andere als Verschluss der Crimpspitzen dient. Dabei durchdringen die Crimpspitzen das Modul und werden anschließend mit dem Verschluss fest verbunden.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Crimpverbindung diffusionsdicht ausgeführt, sodass sich für die Lebensdauer des optoelektronischen Bauelements keine Beeinträchtigung ergibt. Als diffusionsdicht wird ein Bauelement bezeichnet, bei dem unter normaler atmosphärischer Umgebung weder ein Gas- noch Flüssigkeitsaustausch mit dem Modul erfolgt. Daher ist es die Aufgabe des Crimp, sich mit dem Modul so fest zu verbinden, dass in dem Zwischenraum keine Oxidation auftreten kann. Als Zwischenraum wird ein Raum bezeichnet, der entsteht, wenn zumindest zwei Bauteile nicht derart fest miteinander verbunden sind, dass die Möglichkeit der Diffusion gegeben ist. Eine Diffusionsdichtigkeit ist mit einer entsprechenden Verformung und/oder Pressdruck des Crimp gegeben, wobei das Modul nicht beschädigt werden darf. Eine weitere Möglichkeit ist das Auffüllen des Zwischenraums mit einem elektrisch leitenden Material, wie etwa Zi, Cu und Ag.
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In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist die Art und Weise des Isolationsmaterials, umfassend Kunststofffolien, Metallfolien und Glas, auf dem das Crimpverfahren Anwendung findet variabel ausgestaltet. Je nach Isolationsmaterial erfordert das Crimpen einen entsprechend höheren oder niedrigeren Kraftaufwand, wobei die Crimpspitzen das Modul durchdringen und sich nicht ungewollt verbiegen dürfen. Als Kraftaufwand ist der Einsatz an Energie definiert, der notwendig ist, ein Material zu durchdringen und/ oder abzutragen, umfassend Durchstoßen, Bohren, Fräßen, Schleifen und Schmelzen.
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Besonders vorteilhaft an der Erfindung ist eine diffusionsdichte Kontaktierung des Moduls, wobei die elektrische und mechanische Verbindung beim Crimpverfahren in einem Schritt erfolgt und somit zeit- und kosteneffizienter als andere Verfahren ist. Zudem ist die Crimpverbindung schwer, vorzugsweise nicht lösbar, wodurch die Haltbarkeit der Verbindung zwischen dem Modul und dem Crimp steigt. Ein weiterer Vorteil ist die Möglichkeit der Verwendung unterschiedlicher Crimps, die je nach Form und Maß des Moduls eine feste und dauerhafte elektrische Verbindung garantieren.