DE102008030262A1

DE102008030262A1 - Solarzelle und Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle

Info

Publication number: DE102008030262A1
Application number: DE200810030262
Authority: DE
Inventors: Patrik MÜLLER
Original assignee: Gebrueder Schmid GmbH and Co
Current assignee: Gebrueder Schmid GmbH and Co
Priority date: 2008-06-18
Filing date: 2008-06-18
Publication date: 2009-12-24
Also published as: WO2009156086A3; TW201003949A; WO2009156086A2

Abstract

Eine Solarzelle weist Frontkontakte auf einer Vorderseite zum Einsammeln von Elektronen und eine Anschlusseinrichtung zur Verbindung mit den Frontkontakten auf. Die Frontkontakte sind in Form von dünnen Kontaktfingern ausgebildet, wobei unterschiedlich lange Anschlussdrähte von den Kontaktfingern zu der Anschlusseinrichtung geführt sind. Die Anschlussdrähte verlaufen in unterschiedlichen Längen von der Anschlusseinrichtung zu einem oder wenigen Kontaktfingern. Fast alle längeren Anschlussdrähte sind in ihrem Verlauf bzw. über ihre Länge mehrfach mit verschiedenen Kontaktfingern elektrisch verbunden.

Description

Anwendungsgebiet und Stand der Technik
Die Erfindung betrifft eine Solarzelle mit Frontkontakten auf ihrer Vorderseite sowie ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Solarzelle.
Üblicherweise weisen Solarzellen, die aus einem Silizium-Wafer aufgebaut sind, an ihrer Rückseite sogenannte Rückkontakte auf und auf ihrer Vorderseite sogenannte Frontkontakte. Diese Frontkontakte sammeln sozusagen die Elektronen auf und leiten sie an eine Anschlusseinrichtung weiter. Eine derartige Anschlusseinrichtung kann ein elektrischer Anschluss für eine Weiterleitung des Stromes sein oder eine weitere entsprechende Solarzelle in einer Reihenschaltung. Um die Abschattung möglichst gering zu halten, sind die Frontkontakte in Form von dünnen Kontaktfingern ausgebildet, die üblicherweise parallel und mit gleichem Abstand zueinander verlaufend auf der Vorderseite angeordnet sind. Um nun die Frontkontakte mit der Anschlusseinrichtung zu verbinden werden üblicherweise Flachdrähte vorgesehen, die mit jedem der Frontkontakte elektrisch verbunden sind, seitlich über die Solarzelle überstehen und mit der Anschlusseinrichtung verbunden sind. Die Abschattung die ser bekannten Flachdrähte wird jedoch als negativ angesehen, da sie die aktive Fläche der Solarzelle und somit auch deren Wirkungsgrad verschlechtert.
Aufgabe und Lösung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte Solarzelle sowie ein zu ihrer Herstellung ein geeignetes Verfahren zu schaffen, mit denen Nachteile des Standes der Technik verringert werden können und insbesondere der Wirkungsgrad bzw. die Ausbeute einer Solarzelle gesteigert werden kann.
Gelöst wird diese Aufgabe durch eine Solarzelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zu ihrer Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 13. Vorteilhafte sowie bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Ansprüche und werden im Folgenden näher erläutert. Der Wortlaut der Ansprüche wird durch ausdrückliche Bezugnahme zum Inhalt der Beschreibung gemacht.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass unterschiedliche lange Anschlussdrähte von den Kontaktfingern der Frontkontakte zu der Anschlusseinrichtung geführt sind. Diese Anschlussdrähte verlaufen in unterschiedlichen Längen von der Anschlusseinrichtung hin zu einem oder wenigen Kontaktfingern. Zumindest manche, vorzugsweise die meisten, Anschlussdrähte sind in ihrem Verlauf bzw. über ihre Länge hinweg mehrfach mit den Kontaktfingern elektrisch verbunden. Dies bedeutet, dass sie in ihrem Längsverlauf mehrfach an verschiedene Kontaktfinger angeschlossen sind. Vorzugsweise ist der Abstand, in dem ein Anschlussdraht mit einem Kontaktfinger verbunden und angeschlossen ist, für diesen Anschlussdraht immer wieder gleich, besonders vorteilhaft kann dies für mehrere oder sogar für alle Anschlussdrähte gelten.
Somit wird mit der Erfindung die Möglichkeit geschaffen, eine Vielzahl von Anschlussdrähten von den Kontaktfingern als Frontkontakte zu einer Anschlusseinrichtung zu schaffen. Durch die unterschiedliche Länge der Anschlussdrähte, die alle an die Anschlusseinrichtung führen, wird erreicht, dass an die am entferntest liegenden Kontaktfinger nur wenige Anschlussdrähte gehen. Je näher die Kontaktfinger an der Anschlusseinrichtung liegen, desto mehr Anschlussdrähte stehen zur Verfügung, um die Elektronen zu der Anschlusseinrichtung zu transportieren, also zur Stromführung. Im Wesentlichen kann damit ein etwa umgekehrt linearer Zusammenhang zwischen Abstand eines Kontaktfingers von der Anschlusseinrichtung und zur Verfügung stehendem Leiterquerschnitt erreicht werden. Dies bedeutet also, dass der gesamte vorhandene Leiterquerschnitt zunimmt, je näher die Kontaktfinger bei der Anschlusseinrichtung liegen. Damit kann dem Umstand Rechnung getragen werden, wie sich im Rahmen der Erfindung vorteilhaft herausgestellt hat, dass der Stromfluss immer größer wird, je näher ein Kontaktfinger bei der Anschlusseinrichtung liegt. Es wird also in Anpassung an die herrschende bzw. zu erwartende Stromstärke genau der dafür benötigte Leiterquerschnitt zur Verfügung gestellt, aber auch nicht mehr, so dass die durch Leiter abgeschirmte Fläche der Vorderseite der Solarzelle reduziert bzw. auf ein zwingend erforderliches Mindestmaß verringert werden kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung laufen die Frontkontakte parallel zueinander sowie mit gleichen Abständen. Besonders vorteilhaft verlaufen die Anschlussdrähte entsprechend rechtwinklig zu den Frontkontakten bzw. Kontaktfingern. Dies bewirkt neben einer einfacheren Herstellung auch eine möglichst reduzierte Länge und somit Abschattung der Anschlussdrähte der Solarzelle. Auch die Anschlussdrähte verlaufen vorteilhaft parallel zueinander sowie besonders vorteilhaft mit gleichem Abstand.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass ein Anschlussdraht jeweils alle drei bis sechs Kontaktfinger mit der Vorder seite bzw. einem dieser Kontaktfinger der Solarzelle verbunden bzw. daran angeschlossen ist. Besonders vorteilhaft werden jeweils alle dieser drei Kontaktfinger kontaktiert. Dieses Intervall ist vorteilhaft für jeweils einen Anschlussdraht immer das gleiche, besonders vorteilhaft für sämtliche Anschlussdrähte dieser Länge bzw. möglicherweise auch insgesamt für alle Anschlussdrähte. Benachbarte Anschlussdrähte sind vorteilhaft mit jeweils unterschiedlichen Kontaktfingern verbunden.
Um eine möglichst gute Stromleitung zu ermöglichen und gleichzeitig die Zahl der Verbindungen der Anschlussdrähte mit Kontaktfingern zu reduzieren, ist es möglich, Sammelanschlüsse vorzusehen, die zwei bis vier Kontaktfinger miteinander verbinden. Ein solcher Sammelanschluss kann ähnlich wie ein Kontaktfinger beim Herstellungsverfahren der Solarzelle auf der Vorderseite durch Metallisierung hergestellt werden, also wesentlich leichter als das Aufbringen und Verbinden eines Anschlussdrahtes. Ein solcher Sammelanschluss verläuft vorteilhaft in Art und Ausbildung sowie Herstellung ähnlich wie ein Frontkontakt, also mit sehr geringem Querschnitt und rechtwinklig zu den Kontaktfingern bzw. in die gleiche Richtung wie ein Anschlussdraht. Besonders vorteilhaft verbindet ein solcher Sammelanschluss drei nebeneinander liegende Kontaktfinger miteinander und wird von dem Anschlussdraht kontaktiert bzw. der Anschlussdraht wird mit ihm verbunden.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung wird ein Anschlussdraht an einer Stelle angeschlossen, an der der Sammelanschluss einen Kontaktfinger kreuzt. Hier ist zum Anschluss die notwendige Anschlussfläche am größten. Durch das Übereinanderliegen von Sammelanschluss und Anschlussdraht wird ebenfalls die abgeschattete Fläche der Solarzelle reduziert.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten, einen Anschlussdraht mit einem Kontaktfinger oder einem vorgenannten Sammelanschluss zu verbinden. Als vorteilhaft wird Löten oder Wire-Bonding angesehen, wobei bei de Verfahren technisch erprobt und auch großserientechnisch bzw. automatisiert durchgeführt werden können.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass mehrere Anschlussdrähte mit jeweils gleicher Länge eine sogenannte Anschlussgruppe bilden, insbesondere pro Solarzelle. Dabei wird ausgenutzt, dass bei einer Länge eines Anschlussdrahtes von der Anschlusseinrichtung zu einem Kontaktfinger hin sozusagen diskrete Längensprünge in der Länge vom Abstand zweier Kontaktfinger zueinander gegeben sind. Es ist also leicht, Anschlussdrähte gleicher Länge in eine gemeinsame Anschlussgruppe einzuordnen. Die Solarzelle weist dann mehrere Anschlussgruppen mit eben jeweils unterschiedlich langen Anschlussdrähten auf. Dabei wird es als vorteilhaft angesehen, wenn mindestens drei Anschlussdrähte pro Anschlussgruppe vorgesehen sind. Des Weiteren können vorteilhaft mindestens drei solche Anschlussgruppen vorgesehen sein. Üblicherweise verwendete Solarzellen weisen beispielsweise 66 Kontaktfinger auf. Geht man von einem vorgenannten Vorsehen von Sammelanschlüssen aus sowie davon, dass aufgrund der Sammelanschlüsse nicht auf der Höhe eines jeden Kontaktfingers ein Anschlussdraht endet, können beispielsweise 33 oder 22 Anschlussgruppen vorgesehen sein. Jede Anschlussgruppe weist dann zwei bis vier oder sogar noch mehr Anschlussdrähte auf.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, unterschiedlich lange Anschlussdrähte mit unterschiedlichen Querschnitten auszubilden. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Querschnitt der Anschlussdrähte ansteigt mit zunehmender Länge der Anschlussdrähte, wobei er vorteilhaft für diesen Draht gleich bleibt. Damit könnte dem Umstand Rechnung getragen werden, dass er wegen seiner größeren Länge möglicherweise auch insgesamt eine höhere Stromdichte führt. Vorteilhaft werden jedoch lauter identische Anschlussdrähte verwendet, was den Versorgungsaufwand sowie auch das Befestigen erleichtert.
Ein Durchmesser eines solchen Anschlussdrahtes kann vorteilhaft in einem Bereich zwischen 50 μm und 1 mm liegen. Als besonders vorteilhaft werden Durchmesser von 200 μm bis etwa 300 μm vorgesehen. Gerade bei einer vorgenannten Anzahl von Kontaktfingern sowie Anschlussdrähten an einer Solarzelle ergeben sich ja ausreichend hohe Leiterquerschnitte bei gleichzeitig minimierter Abschattung. In nochmaliger weiterer Ausbildung der Erfindung wird es als vorteilhaft angesehen, wenn die Anschlussdrähte einen im Wesentlichen runden Querschnitt aufweisen. Zwar kann grundsätzlich durch flache und hochkant gestellte Querschnitte bei gleichbleibendem Querschnitt eine verringerte Abschattung erreicht werden. Hier allerdings steigt unter Umständen der Aufwand für die korrekte Zuführung der Anschlussdrähte zu einer Einrichtung, die die Anschlussdrähte mit der Solarzelle bzw. dem Kontaktfinger verbindet, stark an. Des Weiteren ist der Kosten- und Herstellungsaufwand für Drähte mit rundem Querschnitt am geringsten.
Ein Anschlussdraht kann aus einem gut leitenden Material, wie beispielsweise Aluminium, Kupfer, Silber oder Gold bestehen. Vorteilhaft wird Aluminium oder Kupfer verwendet. Für eine bessere Korrosionsbeständigkeit sowie eine bessere Verlötbarkeit kann ein Anschlussdraht mit einer entsprechenden Beschichtung überzogen sein. Vorteilhaft ist er verzinnt oder mit einem Lot versehen, beispielsweise 62Sn/36 Pb/2 Ag.
An der Seite der Solarzelle zu der Anschlusseinrichtung hin können die Anschlussdrähte ein gewisses festgelegtes Maß überstehen, um dann eben mit der Anschlusseinrichtung verbunden zu werden. Hier bietet sich neben Wire-Bonding vor allem das technisch einfachere Löten an.
Diese und weitere Merkmale gehen außer aus den Ansprüchen auch aus der Beschreibung und den Zeichnungen hervor, wobei die einzelnen Merkmale jeweils für sich allein oder zu mehreren in Form von Unterkombinationen bei einer Ausführungsform der Erfindung und auf ande ren Gebieten verwirklicht sein und vorteilhafte sowie für sich schutzfähige Ausführungen darstellen können, für die hier Schutz beansprucht wird. Die Unterteilung der Anmeldung in einzelne Abschnitte sowie Zwischen-Überschriften beschränken die unter diesen gemachten Aussagen nicht in ihrer Allgemeingültigkeit.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen schematisch dargestellt und werden im Folgenden näher erläutert. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine Schrägansicht eines Ausschnitts einer erfindungsgemäßen Solarzelle und
2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Solarzelle mit unterschiedlichen Anordnungen für elektrische Anschlüsse.
Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
In 1 ist eine Solarzelle 11 ausschnittsweise in Schrägdarstellung gezeigt. Die Solarzelle 11 ist im Wesentlichen aus einem Wafer 12 aufgebaut und zu sehen ist ihre nach oben gewandte Vorderseite 13. Neben der Solarzelle 11 verläuft eine elektrische Anschlusseinrichtung 14, beispielsweise in Form eines elektrischen Leiters nach Art einer Stromleitschiene odgl..
Um die Elektroden an der Vorderseite 13 der Solarzelle 11 einzusammeln, sind Kontaktfinger 15 vorgesehen. Diese sind dünne Metallleiter, die auch vom Fachmann auf an sich bekannte Art und Weise direkt auf die Vorderseite 13 aufgebracht sind bzw. teilweise sogar in diese hinein versenkt sind. Die Kontaktfinger 15 weisen gleichen Abstand zueinander auf und sind parallel zueinander.
Um nun die Kontaktfinger 15 mit der Anschlusseinrichtung 14 zu verbinden, sind Anschlussdrähte 18 vorgesehen. Diese Anschlussdrähte 18 starten sämtlich bei der Anschlusseinrichtung 14, weisen jedoch unterschiedliche Längen auf, so dass sie unterschiedlich weit auf die Vorderseite 13 der Solarzelle 11 reichen. Ihre nach links weisenden Enden liegen zwar relativ genau auf einem Kontaktfinger 15 auf bzw. gehen bis zu einem solchen Kontaktfinger 15. Gleichzeitig reichen die Anschlussdrähte 18 jedoch nicht nur mit ihrem nach links weisenden Ende auf diese Solarzelle 11 bzw. Kontaktfinger 15, sondern im Abstand von drei Kontaktfingern 15 sind sie immer wieder mit der Solarzelle 11 bzw. Kontaktfingern 15 verbunden. Dadurch erhält ihr Verlauf eine Art Wellenform, was natürlich in der Praxis weitaus weniger stark ausgebildet ist.
Es sind Sammelanschlüsse 16 vorgesehen, die auf grundsätzlich gleiche Art und Weise hergestellt werden können wie die Kontaktfinger 15 selber. Die Sammelanschlüsse 16 sind also kurze elektrisch leitende Leiterstücke und verbinden hier jeweils drei Kontaktfinger 15. Dabei verlaufen sie in etwa rechtwinklig zu den Kontaktfingern 15, ebenso wie die Anschlussdrähte 18. Sie sind auch mit jedem Kontaktfinger elektrisch leitend verbunden, den sie passieren bzw. überdecken.
Die Anschlussdrähte 18 sind an Verbindungsstellen 19 mit jeweils einem Sammelanschluss 16 bzw. dem Kontaktfinger 15 an dieser Stelle elektrisch leitend verbunden. Dies kann durch Wire-Bonding oder Löten erfolgen. Des Weiteren verlaufen die Anschlussdrähte 18, was aus 1 nur begrenzt gut zu erkennen ist, genau oberhalb der Sammelanschlüsse 16, so dass das zwingend notwendige Maß an Abschattung möglichst gering bleibt.
In der Draufsicht auf eine Solarzelle 11 gemäß 2 sind zur Verdeutlichung der Darstellung bzw. des konstruktiven Aufbaus die Anschlussdrähte 18 geradlinig dargestellt, was sie in der Praxis in der Draufsicht auch trotz des leicht gewellten Verlaufs in der Seitenansicht gemäß 1 auch sein können. Die Sammelanschlüsse 16 in 2 sind jedoch abweichend von praxistauglichen Ausführungen leicht gekrümmt dargestellt, während sie in Wirklichkeit bzw. in der Praxis geradlinig und möglichst rechtwinklig zu den Kontaktfingern 15 ausgebildet sind.
Die Darstellung der Solarzelle 11 in 2 ist im Wesentlichen auch schematisch zu verstehen. Eine praxistaugliche Solarzelle weist weitaus mehr Kontaktfinger 15 auf, nämlich beispielsweise die vorgenannten 66 Stück. Ebenso sind in der Breite der Solarzelle 11 auch mehr als dargestellte 24 Kontaktfinger 15 vorgesehen.
Die Anschlussdrähte 18 sind in drei Gruppen 21a, 21b und 21c aufgeteilt. Innerhalb jeder dieser Gruppen 21 reicht ein längster Anschlussdraht 18 bis an den zweitobersten Kontaktfinger 15 und der kürzeste Anschlussdraht 18 bis zum zweituntersten Kontaktfinger 15. Die Längenabstufung der einzelnen Anschlussdrähte 18 innerhalb einer dieser Gruppen 21 ist jeweils das Dreifache des Abstandes zwischen zwei Kontaktfingern. Somit gibt es auch acht Gruppen von Anschlussdrähten 18 mit jeweils gleicher Länge, wobei in jeder dieser Gruppen drei solche Anschlussdrähte 18 sind.
Der Unterschied in der Ausbildung der Gruppe 21a und 21b ist der Abstand der Sammelanschlüsse 16 entlang der Anschlussdrähte 18. Während in der linken Gruppe 21a entlang des längsten Anschlussdrahtes 18 der Abstand der Sammelanschlüsse sowie deren Länge 16 so ist, dass jeder Kontaktfinger 15 mit diesem Anschlussdraht 18 verbunden ist, ist dies in der mittleren Gruppe 21b anders. Hier ist der Abstand der Sammelanschlüsse 16 entlang eines Anschlussdrahtes 18 um einmal den Abstand zweier Kontaktfinger 15 zueinander vergrößert. Dies kann selbstverständlich auch bei mehreren Anschlussdrähten einer dieser Gruppen variiert werden, so dass nicht bei jedem Anschlussdraht dieser Gruppe der Abstand der Sammelanschlüsse 16 und somit der sich daraus ergebenden Verbindungsstellen 19 zwischen Anschlussdraht 18

Claims

Solarzelle mit Frontkontakten auf einer Vorderseite der Solarzelle zum Einsammeln von Elektronen und einer Anschlusseinrichtung zur Verbindung mit den Frontkontakten, wobei die Frontkontakte in Form von dünnen Kontaktfingern ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedlich lange Anschlussdrähte von den Kontaktfingern zu der Anschlusseinrichtung geführt sind, wobei die Anschlussdrähte und in unterschiedlichen Längen von der Anschlusseinrichtung zu einem oder wenigen Kontaktfingern verlaufen, wobei zumindest manche Anschlussdrähte in ihrem Verlauf bzw. über ihre Länge mehrfach mit Kontaktfingern elektrisch verbunden sind.
Solarzelle nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Frontkontakte und/oder die Anschlussdrähte etwa parallel zueinander verlaufen und/oder mit jeweils gleichem Abstand zueinander verlaufen.
Solarzelle nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschlussdraht jeweils alle drei bis sechs Kontaktfinger mit einem oder wenigen dieser Kontaktfinger verbunden ist.
Solarzelle nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass Sammelanschlüsse vorgesehen sind, die zwei bis vier Kontaktfinger miteinander verbinden, wobei ein Sammelanschluss vorzugsweise als im wesentlichen rechtwinklig zu dazu verlaufenden Kontaktfingern ausgebildet ist, wobei insbesondere ein Anschlussdraht an den Sammelanschluss elektrisch angeschlossen ist.
Solarzelle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschlussdraht an einer Kreuzstelle des Sammelanschlusses mit einem Kontaktfinger elektrisch angeschlossen ist.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschlussdraht durch Löten oder Wire-Bonding mit einem Kontaktfinger oder einem Sammelanschluß gemäß Anspruch 4 oder 5 elektrisch verbunden ist.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Anschlussdrähte mit jeweils gleicher Länge eine Anschlussgruppe bilden und die Solarzelle mehrere Anschlussgruppen mit jeweils unterschiedlich langen Anschlussdrähten aufweist, wobei vorzugsweise drei bis sechs Anschlussdrähte in einer Anschlussgruppe sind und drei bis sechs Anschlussgruppen vorgesehen sind.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedlich lange Anschlussdrähte unterschiedliche Querschnitte aufweisen, wobei vorzugsweise der Querschnitt der Anschlussdrähten ansteigt mit zunehmender Länge der Anschlussdrähte.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Durchmesser eines Anschlussdrahtes zwischen 50 μm und 1 mm liegt, vorzugsweise 200 μm bis 300 μm beträgt.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlussdrähte einen im wesentlichen runden Querschnitt aufweisen.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschlussdraht aus einem Material der folgenden Gruppe besteht: Aluminium, Kupfer, Silber, Gold.
Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschlussdraht mit einer Beschichtung überzogen ist, vorzugsweise verzinnt ist der mit Lot überzogen ist.
Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass unterschiedlich lange Anschlussdrähte von den Kontaktfingern zu der Anschlusseinrichtung geführt werden, wobei die Anschlussdrähte sowohl mit der Anschlusseinrichtung als auch mit mindestens einem Kontaktfinger elektrisch verbunden werden und daran angeschlossen werden und wobei manche Anschlussdrähte mit mehreren Kontaktfingern elektrisch verbunden werden.