DE102005053363A1

DE102005053363A1 - Verfahren zur elektrischen Kontaktierung von Solarzellen, Photovoltaikmodul und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102005053363A1
Application number: DE200510053363
Authority: DE
Inventors: Michael Viktor Kamp; Karl Heinz Diefenbach; Thomas Rewig
Original assignee: SYSTAIC DEUTSCHLAND GmbH
Current assignee: SYSTAIC AG, 40213 DUESSELDORF, DE
Priority date: 2005-11-07
Filing date: 2005-11-07
Publication date: 2007-05-10

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Photovoltaikmodul, mit einer Mehrzahl von zueinander benachbarten und elektrisch miteinander verbundenen Solarzellen (1), die als Rückkontaktsolarzellen ausgebildet sind, auf deren Rückseite zur elektrischen Kontaktierung eine Mehrzahl von ersten und zweiten Kontaktstellen (2, 3) ausgebildet sind, die beabstandet zueinander sind und entgegengesetzte Polaritäten aufweisen, sowie mit elektrischen Verbindungsmitteln (10), um benachbarte Solarzellen (1) elektrisch miteinander zu verbinden. DOLLAR A Die Verbindungsmittel weisen jeweils zwei übereinander liegende plattenförmige elektrische Leiter (10) auf, die durch eine dazwischen angeordnete Isolationsschicht (20) gegeneinander elektrisch isoliert sind und jeweils erste (11) und zu diesen beabstandete zweite (14, 16) Kontaktabschnitte aufweisen, die miteinander elektrisch verbunden sind, wobei DOLLAR A die zweiten Kontaktabschnitte (14, 16) eines Leiters (10) die zweiten Kontaktstellen (3) einer Solarzelle (1) elektrisch kontaktieren und DOLLAR A an den ersten Kontaktabschnitten (11) des Leiters (10) erhabene Abschnitte (17) ausgebildet sind, die die Isolationschicht (20) durchgreifen, ohne Kontaktabschnitte des anderen Leiters (10) zu berühren, um die ersten Kontaktstellen (2) einer benachbarten Solarzelle (1) elektrisch zu kontaktieren.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein die elektrische Verschaltung von Rückkontaktsolarzellen zur Ausbildung von Photovoltaikmodulen und betrifft insbesondere ein Verfahren zur Kontaktierung von Rückkontaktsolarzellen, ein Photovoltaikmodul sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.

Hintergrund der Erfindung

Herkömmliche Solarzellen bestehen aus einer Schichtstruktur, die in einem plattenförmigen Halbleitermaterial, beispielsweise aus mono- oder multikristallinem Silizium, ausgebildet ist. Das Halbleitermaterial bildet dabei die p-leitende Basis. Durch Eindiffusion von Phosphor wird eine n-leitende dünne Schicht, der so genannte Emitter, an der Oberfläche erzeugt. Üblicherweise wird die Basis mittels einer ganzflächig aufgebrachten Aluminiumschicht kontaktiert. Der Emitter wird über schmale Finger kontaktiert, die untereinander durch einen oder mehrere so genannte Busbars miteinander verbunden sind. Da die metallischen Finger und Busbars keinen Lichteintritt in die kontaktierten Bereiche der Zelle erlauben, eine zu geringe Zahl und Breite von Fingern aber den Serienwiderstand erhöht, müssen die Finger und Busbars so konstruiert werden, dass elektrische Verluste und Abschattungsverluste minimiert sind. Die räumliche Trennung von Emitterkontakt (Vorderseite) und Basiskontakt (Rückseite) erschwert jedoch das Verschalten einzelner Solarzellen zu einem Modul: Front- und Rückkontakt zweier benachbarter Solarzellen müssen jeweils aufwendig mittels verzinnter Kupferstreifen verlötet werden. Beispiele für Solarzellen des vorgenannten Typs werden beispielsweise in US 2002/0020440 A1 und US 6,747,203 B2 offenbart. Elektrische Leiter, die einer Serienschaltung von benachbarten Solarzellen dienen, können gleichzeitig auch die Kontaktierung einer zugeordneten Bypass- bzw. Freilauf-Diode bewirken, wie beispielsweise in der DE 198 45 658 A1 offenbart.

DE 196 52 810 A1 offenbart ein Verfahren zur Kontaktierung von Solarzellen, bei dem die Halbleiterschicht sandwichartig zwischen einer Unterfolie, die aus einem nicht leitenden Material mit einer Leiterbahn zur Kontaktierung des metallischen Flächenkontakts auf der Unterseite der Solarzelle besteht, und einer Oberfolie angeordnet ist, die eine Leiterbahn zur Kontaktierung der metallischen Streifenkontakte auf der Oberseite der Solarzelle aufweist. Die Folien sind um die Halbleiterschicht herum miteinander verbunden, wobei ein elektrischer Anschluss der Halbleiterschicht an die Leiterbahnen erfolgt. Die Folien werden mit der dazwischen aufgenommenen Halbleiterschicht in einem Werkzeug zusammen gepresst, um eine Reihenschaltung von zueinander benachbarten Solarzellen zu bewirken. Die elektrische Kontaktierung kann dabei ohne Verlötung erfolgen, was den Anteil der Verschaltungskosten an den Modulgesamtkosten erheblich mindern kann. Die Effizienz der Solarzelle wird jedoch durch die metallischen Leiterbahnen auf der Oberseite der Solarzelle gemindert.

Zur Steigerung der Effizienz sind so genannte Rückkontaktsolarzellen (back contact solar cell) entwickelt worden, bei denen der Frontemitter mit dem auf der Rückseite liegenden Emitterkontakt elektrisch leitend verbunden ist. So können Abschattungsverluste aufgrund von metallischen Leiterbahnen auf der Vorderseite minimiert werden. Das Fehlen von metallischen Kontaktfingern oder Busbars auf der Vorderseite von Rückkontaktsolarzellen resultiert auch in einem angenehmeren optischen Erscheinungsbild.

Zur elektrischen Verbindung von Frontemitter und rückseitig angeordneten Emitterfingern dienen üblicherweise zahlreiche kleine, mit einem elektrisch leitenden Material ausgekleidete Löcher im Halbleitermaterial. Der Durchmesser der Verbindungslöcher ist dabei so gering, dass diese auf der Vorderseite praktisch unsichtbar sind und die Quantenausbeute kaum mindern. Die Verbindungslöcher können dabei durch einen gepulsten Laser, wie beispielsweise in der DE 199 15 666 A1 offenbart, oder durch überlappende, um 90° versetzte Sägesschnitte in Vorder- und Rückseite der Solarzelle erzeugt werden. In monokristallinem Silizium können die Verbindungslöcher auch durch anisotropes Ätzen hergestellt werden. Weitere Möglichkeiten sind Ultraschall- und Wasserstrahlbohren.

Wegen der Verlegung der Emitterfinger auf die Zellrückseite müssen Basis- und Emitterfinger als ineinander verschachtelte Kontaktgitter ausgeführt werden. Dies erfordert in der Regel weitere Prozess- und Justierschritte.

DE 198 54 269 A1 offenbart eine Dünnschicht Solarzellenanordnung des vorgenannten Typs, bei der die Kontaktelektroden jeweils als kammartige Leiterbahnen ausgebildet sind, die ineinander verschachtelt auf der Rückseite der Solarzellen angeordnet sind, um diese elektrisch miteinander zu verschalten. Zu diesem Zweck werden geeignet geformte Metallisierungen auf der Rückseite abgeschieden bzw. aufgedampft. Zur Ausbildung von Solarzellen eines Moduls wird die aktive Solarzellenschicht in räumlich getrennte Bereiche, welche dann den einzelnen Solarzellen entsprechen, abgeschieden oder eine homogene Schicht durch Trenngräben, die bis zur Isolationsschicht reichen, in entsprechende Bereiche unterteilt. Die Unterteilung erfolgt dabei entlang der Kontaktelektroden, so dass die einzelnen Solarzellen senkrecht zu den Kontaktelektroden voneinander getrennt sind. Aufbringen der metallischen Kontaktgitter und Erzeugung der Halbleiterschicht müssen dabei jedoch in einem Prozess ausgeführt werden. Jedenfalls sind zur Ausbildung der metallischen Kontaktgitter etliche Justierschritte erforderlich, was die Verschaltungskosten erhöht.

Als Alternative ist vorgeschlagen worden, die elektrische Verbindung von Kontaktfingern und Busbars über den Rand von Solarzellen erfolgen zu lassen, wie beispielsweise in DE 100 20 541 A1 offenbart. Durch diesen Lösungsansatz können jedoch die Verschaltungskosten nicht wirkungsvoll gemindert werden.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zu Kontaktierung bzw. elektrischen Verschaltung von Solarzellen bereit zu stellen, das einfach und kostengünstig ausgeführt werden kann. Gemäß einem weiteren Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung soll ferner ein entsprechendes Photovoltaikmodul mit einer Mehrzahl von Rückkontaktsolarzellen bereitgestellt werden.

Diese und weitere Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren nach Anspruch 18 bzw. 28 sowie durch ein Photovoltaikmodul mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.

Somit geht die vorliegende Erfindung aus von einem Photovoltaikmodul, das eine Mehrzahl von Rückkontaktsolarzellen umfasst, die benachbart zueinander angeordnet sind und elektrisch miteinander verbunden sind. Auf der Rückseite der Rückkontaktsolarzellen sind in einer vorbestimmten Anordnung, beispielsweise in einer Matrixanordnung, eine Mehrzahl von ersten Kontaktstellen einer ersten Polarität und von zweiten Kontaktstellen einer entgegen gesetzten Polarität beabstandet zueinander angeordnet. Ferner sind elektrische Verbindungsmittel vorgesehen, um benachbarte Solarzellen jeweils elektrisch miteinander zu verbinden.

Erfindungsgemäß weist das elektrische Verbindungsmittel jeweils zwei übereinander liegende plattenförmige elektrische Leiter auf, insbesondere in Form von Kontaktflächen, zwischen denen eine Isolationsschicht angeordnet ist, um die beiden elektrischen Leiter elektrisch gegeneinander zu isolieren. Erfindungsgemäß weisen die elektrischen Leiter erste Kontaktabschnitte auf, die dazu dienen, um erste Kontaktstellen einer Solarzelle zu kontaktieren, sowie zweite Kontaktabschnitte, die dazu dienen, um zweite Kontaktstellen von entgegen gesetzter Polarität einer benachbarten Solarzelle zu kontaktieren. Dabei sind die ersten und zweiten Kontaktabschnitte elektrisch miteinander verbunden, um eine Serienverschaltung der benachbarten Solarzellen auszubilden. Dabei sind auf den ersten Kontaktabschnitten erhabene Abschnitte ausgebildet, die die Isolationsschicht zwischen den zweiten Kontaktabschnitten des darüber befindlichen elektrischen Leiters durchgreifen, ohne diese zu berühren, um die ersten Kontaktstellen einer benachbarten Solarzelle elektrisch zu kontaktieren.

Das Layout der Kontaktabschnitte ist dabei auf das Layout der ersten und zweiten Kontaktstellen der Solarzellen abgestimmt. Die Kontaktabschnitte entgegen gesetzter Polarität sind dabei ineinander verschachtelt ausgeführt, in Entsprechung zum Layout der zugeordneten, zu kontaktierenden Kontaktstellen.

Bevorzugt sind dabei die plattenförmigen elektrischen Leiter einstückig ausgebildet und können so einfach auf die Rückseite der zu kontaktierenden Solarzellen aufgelegt werden. Die Kontaktierung kann dabei grundsätzlich ohne Verlötung erfolgen, wenn die elektrischen Verbindungsmittel, bevorzugt in Form von Kontaktblechen, unmittelbar auf die Rückseite der Solarzellen aufgelegt sind und durch die Prozessbedingungen für einen ausreichenden Anpressdruck gesorgt ist. Dies kann dabei beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die Solarzellen, die plattenförmigen elektrischen Leiter und die Isolationsschicht zu einem Materialverbund laminiert werden, in welchem die Solarzelle in ein Kunststoffmaterial eingekapselt ist, um vor Witterungs- und Umwelteinflüssen geschützt zu sein. Durch die im Rahmen des Laminiervorgangs vorherrschenden vergleichsweise hohen Drücke und Temperaturen kann erfindungsgemäß ein ausreichender Kontakt zwischen den Kontaktstellen und den zugeordneten Kontaktabschnitten des elektrischen Leiters erzielt werden. Insgesamt zeichnet sich das erfindungsgemäße Photovoltaikmodul durch eine einfache und kostengünstige Herstellung aus, die insbesondere auch keine aufwendigen weiteren Prozess- und Justierschritte erfordert.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die ersten und zweiten Kontaktstellen in einer regelmäßigen Anordnung, jeweils seitlich versetzt zueinander, angeordnet. Bevorzugt wird dabei eine Matrixanordnung, grundsätzlich können jedoch beliebige andere regelmäßige Anordnungen verwendet werden, die eine gleichmäßige Kontaktierung der gesamten Rückseite einer Solarzelle ermöglichen. In Entsprechung zu der vorgenannten Matrixanordnung können somit die ersten und zweiten Kontaktabschnitte eines plattenförmigen elektrischen Leiters durch äquidistante Kontaktfinger ausgebildet sein, die zwei kammartige, in einer vorbestimmten Richtung zu einander seitlich versetzte Kontaktfingeranordnungen von entgegen gesetzter Polarität ausbilden. Solche kammartigen Kontaktfingeranordnungen können dabei in entgegen gesetzte Richtungen geöffnet sein und über einen Quersteg elektrisch leitend miteinander verbunden sein. Somit liegen die Kontaktfinger in einem ersten Halbraum eines plattenförmigen elektrischen Leiters unmittelbar an Kontaktstellen einer ersten Polarität auf der Rückseite der Solarzellen an, während die weiteren Kontaktfinger entgegen gesetzter Polarität sich unterhalb einer benachbarten Solarzelle erstrecken, wobei zwischen der benachbarten Solarzelle und den Kontaktabschnitten entgegen gesetzter Polarität die Kontaktfinger eines versetzt dazu angeordneten weiteren plattenförmigen elektrischen Leiters angeordnet sind. Dabei sind auf den weiteren Kontaktabschnitten erhabene Abschnitte ausgebildet, die Zwischenräume zwischen den Kontaktfingern entgegen gesetzter Polarität des benachbarten elektrischen Leiters durchgreifen, ohne diese zu berühren, um die Kontaktstellen entgegen gesetzter Polarität einer benachbarten Solarzelle elektrisch zu kontaktieren.

Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird eine elektrische Serienverschaltung „über Eck" von zwei benachbarten Solarzellen dadurch erreicht, dass die Kontaktfinger einer Polarität über sich im wesentlichen senkrecht zu diesen Kontaktfingern erstreckende Querstege elektrisch miteinander verbunden sind, um ein Kontaktfingergitter auszubilden. Die Lage der Querstege ist dabei so auf die Anordnung der zugeordneten Kontaktstellen entgegen gesetzter Polarität abgestimmt, dass die Kontaktstellen entgegen gesetzter Polarität der benachbarten Solarzelle kontaktiert werden können.

Um eine unerwünschte Kontaktierung von Kontaktstellen entgegen gesetzter Polarität durch die selbe Kontaktfingeranordnung zu vermeiden, ist gemäß einer weiteren Ausführungsform die Öffnungsweite des Kontaktfingergitters größer als das zweifache des Abstands, um den die regelmäßigen Anordnungen der ersten und zweiten Kontaktstellen zueinander seitlich versetzt sind. Die benachbarte Solarzelle kann somit frei gedreht werden, bis die gewünschte elektrische Verschaltung erzielt ist, insbesondere eine Verschaltung „über Eck", ohne dass es zu einem unerwünschten Kurzschluss zwischen den ersten und zweiten Kontaktstellen der benachbarten Solarzellen kommt.

Figurenübersicht
Nachfolgend wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, woraus sich weitere Merkmale, Vorteile und zu lösende Aufgaben ergeben und worin:
1 in einer schematischen Unteransicht eine Rückkontaktsolarzelle gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 in einer schematischen Unteransicht ein Photovoltaikmodul gemäß der vorliegenden Erfindung mit sechzehn Solarzellen zeigt, die in Serie miteinander zu verschalten sind;
3a–3c in einer Unteransicht, Draufsicht und Schnittansicht ein Kontaktblech gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer darauf angeordneten Isolationsfolie zeigen;
4 in einer schematischen Unteransicht die elektrische Kontaktierung der ersten Solarzelle des Photovoltaikmoduls gemäß der 2 zeigt;
5 in einer schematischen Unteransicht die elektrische Kontaktierung der dritten und vierten Solarzelle des Photovoltaikmoduls gemäß der 2 zeigt;
6 die elektrische Serienverschaltung der Solarzellen des Photovoltaikmoduls gemäß der 2 zusammenfasst;
7 in einer schematischen Schnittansicht die elektrische Verschaltung von zwei benachbarten Solarzellen mit Hilfe des Kontaktblechs gemäß den 3a–3c darstellt;
8a in einer schematischen Schnittansicht eine Formgebung an Rändern des Kontaktgitters gemäß den 3a–3c darstellt, um ein Unterwandern des Kontaktblechs mit Einkapselungsmaterial während eines Laminiervorgangs zu verhindern; und
8b das Verhalten der Formgebung gemäß der 8a während eines Laminiervorgangs darstellt.
In den Figuren bezeichnen identische Bezugszeichen identische oder im Wesentlichen gleich wirkende Elemente oder Elementgruppen.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
Gemäß der 1 sind auf der Rückseite der Solarzelle 1, jeweils in einer regelmäßigen Matrixanordnung, erste Kontaktstellen 2 und zweite Kontaktstellen 3, mit einer entgegen gesetzten Polarität zu den Kontaktstellen 2, angeordnet. Durch die grau schraffierten Bereiche 4 und die weiß dargestellten Abschnitte 5 sind die jeweiligen Spalten der Matrixanordnung dargestellt. Die grau schraffierten Bereiche 4 entsprechen jedoch nicht zwingend Leiterbahnen auf der Rückseite der Solarzelle 1. Die Kontaktstellen 2, 3 werden beispielsweise durch ein Siebdruckverfahren aus Aluminium oder Silber aufgebracht.
Gemäß der 2 sind insgesamt sechzehn Solarzellen 1 auf der Rückseite einer transparenten Abdeckscheibe 32, beispielsweise aus Glas oder Polykarbonat, angeordnet, um ein Photovoltaikmodul 31 auszubilden. Die Solarzellen 1 berühren einander normalerweise nicht entlang von Randseiten. Gemäß der 2 ist die Orientierung der Solarzellen 1, welche die elektrische Verschaltung vorgeben, erkennbar. Beginnend mit der linken oberen Solarzelle verlaufen die Spalten der ersten drei Solarzellen dabei von oben nach unten. Die untere linke Solarzelle ist um 90° verdreht angeordnet, so dass die Spalten dieser Solarzelle sowie der nächsten beiden horizontal benachbaren Solarzellen horizontal verlaufen. An der rechten unteren Solarzelle erfolgt wiederum ein Richtungswechsel des Verlaufs der Spalten. Wie nachfolgend ausführlicher dargelegt, folgt die elektrische Verschaltung von benachbarten Solarzellen erfindungsgemäß den Spalten der Kontaktstellen. Somit wird gemäß der 2 für die sechzehn Solarzellen 1 eine Serienverschaltung ausgebildet, die mit der linken oberen Solarzelle beginnt und mit der rechts daneben angeordneten Solarzelle endet.
Zur elektrischen Kontaktierung von benachbarten Solarzellen dient erfindungsgemäß das in den 3a–3c gezeigte Kontaktgitter 10. Gemäß der 3a entspricht die Grundfläche des Kontaktgitters 10 im Wesentlichen dem Doppelten der Grundfläche einer Solarzelle. Die Grundfläche der Isolationsfolie 20 entspricht im Wesentlichen der Grundfläche einer Solarzelle. Gemäß der 3a weist das Kontaktgitter 10 zwei Abschnitte auf, nämlich einen oberen Abschnitt mit äquidistant zueinander beabstandeten Kontaktfingern 10 und einen unteren Abschnitt mit äquidistant zueinander beabstandeten Kontaktfinger 14. Die Kontaktfinger 11, 14 erstrecken sich in entgegen gesetzte Richtungen und sind über einen elektrisch leitenden Quersteg 13 miteinander verbunden. In dem oberen Abschnitt sind zwischen den Kontaktfingern 11 Zwischenräume 12 ausgebildet, in denen sich in dem unteren Abschnitt die Kontaktfinger 14 erstrecken. Gemäß der 3a ist die Breite der Zwischenräume 12 größer als die Breite der Kontaktfinger 14. Zwischen den Kontaktfingern 14 sind Zwischenräume 15 ausgebildet, in denen sich in dem ersten Abschnitt die ersten Kontaktfinger 11 erstrecken. Gemäß der 3a ist die Breite der Zwischenräume 15 größer als die Breite der ersten Kontaktfinger 11. In dem unteren Abschnitt sind die zweiten Kontaktfinger 14 beispielsweise mit sich senkrecht zu diesen erstreckenden Querstegen 16 elektrisch leitend miteinander verbunden. Gemäß der 3a steht die Isolationsfolie 20 über den Quersteg 13 vor, was einen Kurzschluss zu einer benachbarten Solarzelle unterbindet (vgl. 7).
Erfindungsgemäß dienen die ersten Kontaktfinger 11 der elektrischen Kontaktierung der ersten Kontaktstellen auf der Rückseite einer Solarzelle und dienen die zweiten Kontaktfinger 14 und/oder die Querstege 16 einer elektrischen Kontaktierung der zweiten Kontaktstellen entgegen gesetzter Polarität einer benachbarten Solarzelle.
Zur elektrischen Verbindung zweier benachbarter Solarzellen werden zwei Kontaktgitter gemäß der 3a in Erstreckungsrichtung der Kontaktfinger um die Länge einer Solarzelle versetzt zueinander übereinander liegend angeordnet, mit einer dazwischen angeordneten Isolationsfolie 20. Gemäß den 3b und 3c sind auf den ersten Kontaktfingern 11 an den ersten Kontaktstellen zugeordneten Bereichen erhabene Abschnitte 17 ausgebildet, beispielsweise durch Einprägen in das Kontaktblech, die zur Kontaktierung der ersten Kontaktstellen das Isolationsmaterial 20 durchgreifen, ohne die zweiten Kontaktfinger des darüber befindlichen Kontaktbleches (nicht dargestellt) zu berühren. Zu diesem Zweck können in der Isolationsfolie 20 an geeigneten Stellen Öffnungen 21 zur Aufnahme der erhabenen Abschnitte ausgebildet sein (wie in der 3c beispielhaft als Alternative durch gestrichelte Linien angedeutet). Oder, wie in der 3c gezeigt, in der Isolationsfolie 20 sind an geeigneten Stellen Vertiefungen zur Aufnahme der erhabenen Abschnitte 17 ausgebildet, wobei die erhabenen Abschnitte 17 das Isolationsmaterial erst nach einem Laminiervorgang vollständig durchgreifen, um die ersten Kontaktstellen auf der Rückseite einer benachbarten Solarzelle elektrisch zu kontaktieren.
Die elektrische Kontaktierung zweier benachbarter Solarzellen ist übersichtlich in der 7 zusammengefasst. Zunächst wird auf die Rückseite der linken Solarzelle 1 das in der 3a gezeigte Kontaktgitter unmittelbar aufgelegt, so dass dessen zweite Kontaktabschnitte 14 in den Bereichen der Querstege 16 die zweiten Kontaktstellen 3 auf der Rückseite der linken Solarzelle 1 kontaktieren. Die elektrische Kontaktierung kann dabei ohne Verlötung erfolgen. Anschließend wird auf ein weiteres Kontaktgitter gemäß der 3a im Bereich der ersten Kontaktfinger 11 eine Isolationsfolie 20 aufgelegt, so dass die erhabenen Abschnitte 17 auf den ersten Kontaktfingern 11 die Isolationsfolie 20 entweder durchgreifen oder in in der Isolationsfolie 20 ausgebildeten Aufnahmen aufgenommen sind, wie in der vergrößerten Darstellung gemäß der 3c gezeigt. Das zweite Kontaktgitter wird gemäß der 7 seitlich versetzt um die Länge einer Solarzelle von unten gegen das obere Kontaktgitter in Anlage gebracht, so dass die erhabenen Abschnitte 17 die Zwischenräume zwischen den zweiten Kontaktfingern 14 und Querstegen 16 des oberen Kontaktgitters durchgreifen und die ersten Kontaktstellen 2 auf der Rückseite der Solarzelle 1 elektrisch kontaktieren, wie durch die Pfeile im linken Teil der 7 angedeutet.
In diesem Zustand erstrecken sich die zweiten Kontaktfinger 14 und Querstege 16 des unteren Kontaktblechs über den rechten Rand der linken Solarzelle 1 hinaus. Auf die zweiten Kontaktabschnitte 14 und Querstege 16 des unteren Kontaktgitters wird dann eine benachbarte Solarzelle unmittelbar aufgelegt, so dass die zweiten Kontaktfinger 14 im Bereich der Querstege 16 die zweiten Kontaktstellen 3 auf der Rückseite der benachbarten Solarzelle 1 elektrisch kontaktieren, wie im rechten Teil der 7 durch die kurzen Pfeile schematisch angedeutet.
Anschließend wird in der vorstehend beschriebenen Weise auf die ersten Kontaktfinger 11 eines weiteren Kontaktgitters eine Isolationsfolie 20 aufgelegt und diese dann, um die Länge einer Solarzelle versetzt, auf die Rückseite des oberen Kontaktgitters im Bereich der rechten Solarzelle 1 in Anlage gebracht.
Erfindungsgemäß erfolgt die Verbindung bevorzugt durch Laminieren bei hohem Druck und hohen Temperaturen, die zu einer Erweichung und einem Aufschmelzen der Isolationsfolie führen. Somit durchdringen die erhabenen Abschnitte 17 das Isolationsmaterial 20 zuverlässig, um die zugeordneten ersten Kontaktstellen 2 zuverlässig elektrisch zu kontaktieren. Nach Abkühlung kapselt das wieder verfestigte Isolationsmaterial die Rückseite der Solarzelle als Schutz vor Witterungs- und Umwelteinflüssen ein.
Erfindungsgemäß kann den unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kontaktblechs und des Halbleitermaterials der Solarzellen Rechnung getragen werden, und zwar dergestalt, dass bei den während des Laminiervorgangs vorherrschenden Temperaturen von beispielsweise 150° Celsius die erhabenen Abschnitte 17 zu den zugeordneten ersten Kontaktstellen geringfügig seitlich versetzt angeordnet sind und dass nach Abkühlen auf die bestimmungsgemäße Betriebstemperatur die erhabenen Abschnitte mit den zugeordneten ersten Kontaktstellen fluchten. Unter einer Betriebstemperatur sei dabei im Sinne der vorliegenden Anmeldung eine Temperatur in einem bestimmungsgemäßen Temperaturbereich zwischen etwa –30° Celsius und 50° Celsius, bevorzugter bis etwa 80° Celsius, verstanden.
Die 4 zeigt schematisch die elektrische Kontaktierung der ersten Solarzelle A eines Photovoltaikmoduls 31 mit insgesamt sechzehn Solarzellen, die in der Reihenfolge der elektrischen Verschaltung mit den Buchstaben A bis P bezeichnet sind. Gemäß der 4 kontaktieren die zweiten Kontaktfinger und zugeordneten Querstege des Kontaktblechs die zweiten Kontaktstellen auf der Rückseite der Solarzelle A. Die als rechteckförmige Erhebungen 33 dargestellten ersten Kontaktfinger des Kontaktgitters 10 können dabei als Anschlusskontakt einer ersten Polarität, beispielsweise als Plus-Pol, verwendet werden. Die elektrische Serienverschaltung der Solarzellen A–C erfolgt in der anhand der 7 beschriebenen Weise, wobei sich die Kontaktfinger der Kontaktgitter in Richtung der durch die grau schraffierten Bereiche angedeuteten Spalten der Kontaktstellenanordnungen erstrecken.
Nach Kontaktieren der ersten drei Solarzellen A–C in entsprechender Weise ist schließlich der Zustand gemäß der 5 erreicht, in welchem die zweiten Kontaktfinger und Querstege eines Kontaktgitters die zweiten Kontaktstellen auf der Rückseite der Solarzelle D kontaktieren. Dabei sind die Spalten der Matrixanordnung von ersten und zweiten Kontaktstellen auf der Rückseite der Solarzelle D um 90° verdreht, erstrecken sich also in der 5 in horizontaler Richtung. Die elektrische Verschaltung mit der rechts neben der Solarzelle D angeordneten Solarzelle erfolgt mit Hilfe eines um 90° gedrehten Kontaktgitters 30, dessen Kontaktfinger entlang den Spalten der Matrixanordnung von ersten und zweiten Kontaktstellen der Solarzelle D verlaufen. Der 5 ist auch die Verlaufsrichtung der Spalten der Matrixanordnung von ersten und zweiten Kontaktstellen der Solarzellen zu entnehmen.
Durch elektrische Kontaktierung von benachbarten Solarzellen, wie vorstehend anhand der 7, 4 und 5 beschrieben, kann schließlich eine elektrische Serienverschaltung der Solarzellen ausgebildet werden, die schematisch in der 6 zusammengefasst ist. In der 6 sind stets nur die ersten Kontaktfinger der Kontaktbleche zu erkennen, nicht jedoch die darüber befindlichen zweiten Kontaktfinger und zugeordneten Querstege, die unmittelbar an der Rückseite der Solarzellen 1 anliegen. Gemäß der 6 können auch die jeweils schematisch als rechteckförmige Anschlussfahnen dargestellten zweiten Kontaktfinger 34 des letzten Kontaktblechs als Anschlusskontakt einer zweiten Polarität (beispielsweise als Minus-Pol) des Photovoltaikmoduls 31 verwendet werden.
Wie vorstehend ausgeführt, werden die Solarzellen, Kontaktgitter und Isolationsfolien erfindungsgemäß bevorzugt in einem Laminiervorgang bei erhöhtem Druck und erhöhten Temperaturen zu einem Materialverbund verpresst. Während des Laminiervorgangs wirken Kräfte im Wesentlichen senkrecht auf den Materialverbund ein, um für einen ausreichenden Anpressdruck der Kontaktabschnitte gegen die zugeordneten Kontaktstellen zu sorgen. Um einen zuverlässigen Kontakt zu ermöglichen, können die erhabenen Abschnitte auf den ersten Kontaktfingern dabei federelastisch ausgebildet oder gelagert sein, so dass diese im angepressten Zustand mechanisch gegen die zugeordneten Kontaktstellen vorgespannt sind, und zwar unter geringfügiger elastischer Verformung der erhabenen Abschnitte. Zu diesem Zweck können die erhabenen Abschnitte beispielsweise als napfartige Ausbauchungen auf den ersten Kontaktfingern ausgebildet sein, die in diese eingeprägt sind, wobei die Höhe der napfartigen Ausbauchungen im entspannten Zustand zumindest der Dicke der Isolationsschicht zwischen zwei übereinander liegenden Kontaktblechen entspricht.
Während des Laminiervorgangs ist ein Unterwandern der Kontaktstellen durch erweichtes Kunststoffmaterial zu verhindern. Zu diesem Zweck können an Rändern der Kontaktbleche, an geeigneten Stellen, wie nachfolgend ausgeführt, hohlraumartige Ausgleichsvolumina ausgebildet sein, in die erweichtes Einkapselungsmaterial während des Laminiervorgangs in kontrollierter Weise einfließen kann, dieses somit nicht mehr Kontaktstellen unterwandern kann. Die 8a zeigt beispielhaft in einer Schnittansicht ein solches Ausgleichsvolumen 25. Dieses ist als Ausbauchung am Rand eines Kontaktblechs 10 ausgebildet und weist eine zum Rand des Kontaktblechs 10 weisende Schräge 28, eine abgeflachte Erhebung 27 und eine zum Inneren des Kontaktblechs 10 weisende Schräge 26 auf. Gemäß der 8a ist der Neigungswinkel der Schräge 26 relativ zur gedachten Ebene des Kontaktblechs 10 größer als der Neigungswinkel der Schräge 28, um den in der vertikalen Richtung wirkenden Anpressdruck zu erhöhen und folglich das Einfließen des Einkapselungsmaterials zu minimieren. Der durch die Schrägen 26, 28 ausgebildete Hohlraum dient dabei als Ausgleichsvolumen: Durch Verformungen des Kontaktblechs und/oder der Zelle entstehen potentiell Undichtigkeiten, durch welche das während des Laminiervorgangs zähflüssige oder flüssige Kunststoffmaterial eintreten könnte. Mit Hilfe des Expansionsraums 25 wird eine Unterwanderung der Kontaktfläche bei geeignet kurzen Laminierungszeiten verhindert. Die Schräge 28 nimmt, bedingt durch ihre Schräge, vertikal wirkende Kräfte des Laminators auf und wird folglich federartig an die Kontaktfläche gedrückt und kann somit besser abdichten als eine steilere Schräge.
Wird nun ein solches Kontaktblech 10 auf eine mit der Halbleiterschicht 24 verbundene Kontaktfläche unmittelbar aufgelegt, wie in der 8b gezeigt, und wird eine darüber befindliche isolierende Kunststoffschicht 22 während eines Laminiervorgangs erweicht, so führt eine Druckbeaufschlagung senkrecht zur Ebene des Halbleitermaterials 24, wie durch die Pfeile F angedeutet, zu einem Fließen des Einkapselungmaterials und folglich zu einer möglichen Unterwanderung des Kontaktblechs 10, insbesondere durch Unebenheiten zwischen Kontaktblech 10 und Zell-Kontaktfläche hindurch. Folglich kann Kunststoffmaterial 23 in das Ausgleichsvolumen 25 während des Laminiervorgangs hineinfließen, falls am Rand des Kontaktblechs 10, das heißt im Bereich der Schräge 28, eine Undichtigkeit besteht. Das Kunststoffmaterial 23 kann somit nicht zwischen das Kontaktblech 10 und die zugeordnete Kontaktstelle (nicht gezeigt) fließen. Das hohlraumartige Ausgleichsvolumen 25 nimmt somit überschüssiges Einkapselungsmaterial auf. Nach dem Laminiervorgang kapselt das wiederverfestigte Kunststoffmaterial 22 die Rückseite des Halbleitermaterials 24 zum Schutz vor Umwelt- und Witterungseinflüssen ein.

1: Solarzelle
2: Erste Kontaktstellen
3: Zweite Kontaktstellen
4: Spalte mit ersten Kontaktstellen
5: Spalte mit zweiten Kontaktstellen
10: Kontaktblech
11: Erste Kontaktfinger
12: Zwischenraum
13: Quersteg
14: Zweite Kontaktfinger
15: Zwischenraum
16: Quersteg
17: Erhabener Bereich
18: Hohlraum
20: Isolationsfolie
21: Öffnung in Isolationsfolie
22: Einkapselungsmaterial
23: Überschuss des Einkapselungsmaterials
24: Halbleitermaterial/Kontaktfläche
25: Ausbauchung
26: Innere Schräge
27: Spitze/Plateau
28: Äußere Schräge
30: Verbund
31: Photovoltaikmodul
32: Transparente Abdeckscheibe
33: Anschlusskontakt erster Polarität
34: Anschlusskontakt zweiter Polarität

Claims

Photovoltaikmodul, mit einer Mehrzahl von zueinander benachbarten und elektrisch miteinander verbundenen Solarzellen (1), die als Rückkontaktsolarzellen ausgebildet sind, auf deren Rückseite zur elektrischen Kontaktierung eine Mehrzahl von ersten und zweiten Kontaktstellen (2, 3) ausgebildet sind, die beabstandet zueinander sind und entgegen gesetzte Polaritäten aufweisen, sowie mit elektrischen Verbindungsmitteln (10), um benachbarte Solarzellen (1) elektrisch miteinander zu verbinden, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrischen Verbindungsmittel jeweils zwei übereinander liegende plattenförmige elektrische Leiter (10) aufweisen, die durch eine dazwischen angeordnete Isolationsschicht (20) gegeneinander elektrisch isoliert sind und jeweils erste (11) und zu diesen beabstandete zweite (14, 16) Kontaktabschnitte aufweisen, die miteinander elektrisch verbunden sind, wobei die zweiten Kontaktabschnitte (14, 16) eines Leiters (10) die zweiten Kontaktstellen (3) einer Solarzelle (1) elektrisch kontaktieren und an den ersten Kontaktabschnitten (11) des Leiters (10) erhabene Abschnitte (17) ausgebildet sind, die die Isolationsschicht (20) durchgreifen, ohne Kontaktabschnitte des anderen Leiters (10) zu berühren, um die ersten Kontaktstellen (2) einer benachbarten Solarzelle (1) elektrisch zu kontaktieren.
Photovoltaikmodul nach Anspruch 1, wobei die ersten und zweiten Kontaktstellen (2, 3) auf den Rückseiten der Solarzellen (1) in regelmäßigen Anordnungen angeordnet sind, die zueinander seitlich versetzt sind, und wobei die ersten und zweiten Kontaktabschnitte (11, 14) korrespondierend zu den Kontaktstellen (2, 3) seitlich zueinander versetzt sind.
Photovoltaikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die plattenförmigen elektrischen Leiter als Kontaktbleche (10) ausgebildet sind, die zwei kammartige, in einer vorbestimmten Richtung zueinander versetzte Kontaktfingeranordnungen (11, 14) von entgegen gesetzten Polaritäten aufweisen, die in entgegen gesetzte Richtungen geöffnet und über einen Quersteg (13) elektrisch miteinander verbunden sind.
Photovoltaikmodul nach Anspruch 3, wobei die Kontaktfinger (14) einer der Kontaktfingeranordnungen über sich in der vorbestimmten Richtung erstreckende Querstege (16) miteinander zu einem Kontaktfingergitter verbunden sind.
Photovoltaikmodul nach Anspruch 4, wobei eine Öffnungsweite des Kontaktfingergitters (14, 16) größer ist als das Zweifache des Abstands, um den die regelmäßigen Anordnungen der ersten und zweiten Kontaktstellen zueinander seitlich versetzt sind.
Photovoltaikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktabschnitte (11, 14) unmittelbar gegen die Kontaktstellen (2, 3) gedrückt sind.
Photovoltaikmodul nach Anspruch 6, wobei die erhabenen Abschnitte (17) federelastisch ausgebildet oder gelagert sind und gegen die zugeordneten Kontaktstellen (2, 3) vorgespannt sind.
Photovoltaikmodul nach Anspruch 6 oder 7, wobei die erhabenen Abschnitte (17) als napfartige Ausbauchungen ausgebildet sind, die in die plattenförmigen elektrischen Leiter (10) eingeprägt sind und deren Höhe zumindest gleich der Dicke der Isolationsschicht (20) ist.
Photovoltaikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Isolationsschicht (20) durch Laminieren einer Kunststofffolie ausgebildet ist, um die Solarzelle (1) rückseitig einzukapseln.
Photovoltaikmodul nach Anspruch 9, wobei an Rändern des elektrischen Leiters (20) federelastische Sicken (26–28) ausgebildet sind, deren Ränder unmittelbar an einer Rückseite der Solarzellen (1) anliegen, um überschüssiges Einkapselungsmaterial aufzunehmen und so ein Unterwandern des elektrischen Leiters (10) mit Einkapselungsmaterial während des Laminierens zu verhindern.
Photovoltaikmodul nach Anspruch 10, wobei die Sicken (26–28) die Ränder des elektrischen Leiters (10) im Wesentlichen vollständig einfassen.
Photovoltaikmodul nach Anspruch 10 oder 11, wobei die Sicken eine erste Schräge (26), die dem zugeordneten Kontaktabschnitt (11, 14) zugewandt ist, und eine gegenüberliegende zweite Schräge (28) aufweisen.
Photovoltaikmodul nach Anspruch 12, wobei ein Neigungswinkel der ersten Schräge (26) in Bezug zur Oberfläche der Solarzelle (1) größer ist als der Neigungswinkel der zweiten Schräge (28).
Photovoltaikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei eine elektrische Serienverschaltung der Solarzellen (1) unmittelbar durch die Kontaktabschnitte (11, 14, 16) der plattenförmigen elektrischen Leiter (10) ausgebildet ist.
Photovoltaikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die ersten Kontaktabschnitte (11) eines elektrischen Leiters (10) jeweils die ersten Kontaktstellen (2) einer ersten Solarzelle (A) kontaktieren und die zweiten Kontaktabschnitte (14, 16) des elektrischen Leiters (10) jeweils die zweiten Kontaktstellen (3) einer benachbarten Solarzelle (B) kontaktieren.
Photovoltaikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, sofern rückbezogen auf Anspruch 3, wobei zwei in der vorbestimmten Richtung zueinander benachbarte Solarzellen (D, E) über die Querstege (16) elektrisch miteinander verschaltet sind.
Photovoltaikmodul nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Kontaktabschnitte des elektrischen Leiters einer ersten (A) und letzten (P) der Solarzellen der elektrischen Serienverschaltung einem elektrischen Anschluss des Photovoltaikmoduls (31) dienen.
Verfahren zur elektrischen Kontaktierung einer Solarzelle (1) eines Photovoltaikmoduls (31), wobei die Solarzellen als Rückkontaktsolarzellen (1) ausgebildet sind, auf deren Rückseite zur elektrischen Kontaktierung eine Mehrzahl von ersten und zweiten Kontaktstellen (2, 3) ausgebildet sind, die beabstandet zueinander sind und entgegen gesetzte Polaritäten aufweisen, mit den folgenden Schritten: Bereitstellen von zwei plattenförmigen elektrischen Leitern (10) mit ersten Kontaktabschnitten (11) und zu diesen beabstandeten zweiten Kontaktabschnitten (14, 16), die elektrisch miteinander verbunden sind, wobei an den ersten Kontaktabschnitten (11) erhabene Abschnitte (17) vorgesehen sind; Kontaktieren der zweiten Kontaktstellen (3) einer Solarzelle durch die zweiten Kontaktabschnitte (14, 16) des ersten plattenförmigen elektrischen Leiters (10); Auflegen einer Isolationsfolie (20) auf den ersten plattenförmigen elektrischen Leiter, um eine Isolationsschicht auszubilden; Auflegen des zweiten plattenförmigen elektrischen Leiters (10) auf die Isolationsfolie (20), so dass die erhabenen Abschnitte (17) des zweiten plattenförmigen elektrischen Leiters die Isolationsschicht zur elektrischen Kontaktierung der ersten Kontaktstellen durchgreifen, ohne die zweiten Kontaktabschnitte (14, 16) des ersten Leiters zu berühren.
Verfahren nach Anspruch 18, wobei die Isolationsschicht (20) durch Laminieren einer Kunststofffolie ausgebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 18 oder 19, wobei die Kontaktabschnitte (11, 14, 16) unmittelbar gegen die Kontaktstellen (2, 3) gedrückt werden und
Verfahren nach Anspruch 20, wobei die erhabenen Abschnitte (17) federelastisch ausgebildet oder gelagert sind und beim Andrücken gegen die Kontaktstellen (2) elastisch verformt werden.
Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, wobei der Schritt des Bereitstellens der plattenförmigen elektrischen Leiter den folgenden Schritt umfasst: Einprägen von napfartigen Ausbauchungen in die plattenförmigen elektrischen Leiter (10), um die erhabenen Abschnitte (17) auszubilden, wobei die Höhe der erhabenen Abschnitte zumindest gleich der Dicke der Isolationsschicht (20) ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 20 bis 22, wobei der Schritt des Bereitstellens der plattenförmigen elektrischen Leiter den folgenden Schritt umfasst: Ausbilden oder Bereitstellen von federelastischen Sicken (26–28) an Rändern des elektrischen Leiters (10); wobei der erste elektrische Leiter so auf die Rückseite einer Solarzelle (1) aufgelegt wird, dass Ränder der federelastischen Sicken unmittelbar an der Rückseite anliegen, um überschüssiges Einkapselungsmaterial aufzunehmen und so ein Unterwandern des elektrischen Leiters (10) mit Einkapselungsmaterial während eines Laminiervorgangs zu verhindern.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die Sicken (26–28) dergestalt ausgebildet werden, dass die Ränder des elektrischen Leiters (20) im Wesentlichen vollständig von den Sicken eingefasst sind.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei die Sicken mit einer ersten Schräge (26), die dem zugeordneten Kontaktabschnitt (11, 14) zugewandt ist, und einer gegenüberliegenden zweiten Schräge (28) ausgebildet werden.
Verfahren nach Anspruch 25, wobei die Sicken so ausgebildet werden, dass ein Neigungswinkel der ersten Schräge (26) in Bezug zur Rückseite der Solarzelle (1) größer ist als der Neigungswinkel der zweiten Schräge (28).
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 26, bei dem die Kontaktabschnitte der plattenförmigen elektrischen Leiter bei der Temperatur des Laminiervorgangs unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Materials der elektrischen Leiter (10) und des Halbleitermaterials der Solarzellen in Bezug zu den Kontaktstellen der Solarzellen versetzt angeordnet sind, wobei die Kontaktabschnitte mit den zugeordneten Kontaktstellen nach Abkühlen des Materialverbunds auf eine Betriebstemperatur fluchten.
Verfahren zum Herstellen eines Photovoltaikmoduls, mit einer Mehrzahl von in Serie miteinander verschalteten Solarzellen (1), bei dem die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 18 bis 27 ausgeführt werden, um zwei zueinander benachbarte Solarzellen miteinander zu verbinden, so dass die zweiten Kontaktabschnitte (14, 16) eines Leiters (10) die zweiten Kontaktstellen (3) einer Solarzelle (1) elektrisch kontaktieren und die an den ersten Kontaktabschnitten (11) des Leiters (10) ausgebildeten erhabenen Abschnitte (17) die Isolationsschicht (20) zwischen den zweiten Kontaktabschnitten des anderen Leiters durchgreifen, ohne diese zu berühren, um die ersten Kontaktstellen (2) einer benachbarten Solarzelle (1) elektrisch zu kontaktieren; und diese Verfahrensschritte solange wiederholt werden, bis sämtliche Solarzellen (1) miteinander in Serie verschaltet sind, um das Photovoltaikmodul (31) auszubilden.
Verfahren nach Anspruch 28, bei dem die Schritte des Verfahrens nach einem der Ansprüche 18 bis 27 so ausgeführt werden, dass die Serienverschaltung der Solarzellen mehrmals ihre Richtung um 90° ändert, wobei an Stellen mit Richtungsänderung der Serienverschaltung zueinander benachbarte Solarzellen (D, E) mittels der Querstege (16) der zweiten Kontaktabschnitte elektrisch miteinander verbunden werden.