DE102009020029A1

DE102009020029A1 - Elektrisches Kontaktierungselement für photovoltaische Zellen

Info

Publication number: DE102009020029A1
Application number: DE102009020029A
Authority: DE
Inventors: Gerhard Bürstner; Mathias Fiolka; Eckhard Fröhlich; Manfred Sonnefeld
Original assignee: EDELHOFF ADOLF FEINDRAHTWERK; Feindrahtwerk Adolf Edelhoff & Co KG GmbH
Current assignee: EDELHOFF ADOLF FEINDRAHTWERK; Feindrahtwerk Adolf Edelhoff & Co KG GmbH
Priority date: 2009-05-05
Filing date: 2009-05-05
Publication date: 2010-11-11

Abstract

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Kontaktierungselement für voltaische Zellen, insbesondere Solarzellen, bei dem ein oder mehrere elektrisch leitfähige, beschichtete Drähte 1 auf der lichtempfindlichen Oberfläche der Zelle 8 leitend aufgebracht sind, wobei das Profil der Drähte 1 eine Kontur hat, deren einer über die Oberfläche der Zelle 8 hinausragender Teil die Form eines Dreiecks 2 besitzt, wohingegen der andere Teil 2a beliebig gestaltet sein, insbesondere die Form eines Dreiecks, Vierecks, einer Halbkugel oder einer Mischform haben kann und wobei dieser Teil der Drähte in einer entsprechenden Nut/Nuten 6 in der Zelle eingesetzt und mit dieser leitend verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrisches Kontaktierungselement für photovoltaische Zellen, insbesondere Solarzellen, bei welchen ein oder mehrere elektrisch leitfähige Drähte, blank oder mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung an ihrer Außenseite, auf der lichtempfindlichen Oberfläche der Zelle, insbesondere einem Wafer, leitend angebracht sind.
Solarzellen haben sich als Schlüsselkomponenten regenerativer Energiequellen etabliert und nehmen in ihrer Bedeutung für die Energiegewinnung zu. Bei ihnen wird Licht, in der Regel Sonnenlicht, aufgrund des photovoltaischen Effekts in elektrische Energie umgewandelt. Die üblichen Solarzellen bestehen aus Halbleiterstrukturen, sogenannten Wafern, die meist auf der Basis von Silizium aufgebaut sind. Bei der Herstellung werden in Drucktechnik stromleitende Kontaktbahnen, sogenannte Finger, meist in Form einer metallischen Paste, aufgebracht. Metallische Kontaktbändchen verbinden die einzelnen Finger einer Solarzelle und mehrere Solarzellen zu Solarmodulen miteinander. Dadurch kann die Stromausbeute entsprechend gesteigert werden.
Nachdem der Wirkungsgrad der einzelnen Solarzelle ziemlich gering ist, nämlich etwa 14 bis 17%, ist es wichtig, alle die Ausbeute an umgewandelter Energie verringernde Einflüsse zu vermindern. Dies betrifft zum einen die Verringerung des elektrischen Widerstandes der Drähte und Kontakte und die Verringerung der Verluste an eingestrahlter Energie, insbesondere durch Abschattung.
Kontaktierungselemente der eingangs genannten Art sind bereits bekannt, beispielsweise aus der DE 102 39 845 C1 und aus der Veröffentlichung des Atominstituts der Technischen Universität Wien „Neue Methoden bei der Kontaktierung von Solarzellen”, aufzufinden bei Google.
In der erst genannten Druckschrift sind auf einer Halbleiterstruktur ein elektrisch isolierender, optisch transparenter Film, eine darauf aufgebrachte Klebeschicht und auf dieser mehrere Drähte parallel zueinander aufgebracht. Diese Drähte können verschiedene Querschnittskonturen aufweisen, ohne daß diese jedoch hinsichtlich ihrer Eignung für den vorgegebenen Zweck bewertet sind, insbesondere hinsichtlich ihrer Abschattung des einfallenden Sonnenlichts. Diese Drähte sind parallel horizontal und kreuzend vertikal auf der Halbleiterstruktur der Solarzelle aufgebracht. Durch die vielen Drähte erfolgt eine deutliche Abschattung des einfallenden Sonnenlichts auf der Halbleiterstruktur und damit eine Verschlechterung des Wirkungsgrades der Solarzelle.
Bei der zweit genannten Veröffentlichung wird ausgegangen von der bekannten Verwendung von sogenannten „Fingern”, nämlich Kontaktleiterbahnen auf den Halbleiterstrukturen, den Wafern. Zur Verbesserung der Abschattung des Sonnenlichts werden auf die Finger in Längsrichtung dünne Drähte aufgelötet. Anstelle dieser aufgelöteten Drähte wird als Alternative vorgeschlagen, die Finger in Nuten in der Halbleiterstruktur einzusetzen. Auch hierdurch ergibt sich eine Verringerung der Abschattung. Die erzielte Verbesserung ist in beiden Fällen jedoch relativ gering.
Die Erfindung hat es sich zum Ziel gesetzt, den Wirkungsgrad einer Solarzelle zu verbessern, indem sowohl eine Verringerung der Abschattung des einfallenden Sonnenlichts als auch eine Verringerung des elektrischen Widerstands erreicht werden soll.
Zur Lösung der vorgenannten Aufgabe schlägt die Erfindung deshalb vor, daß das Querschnittsprofil des/der Drähte eine zusammenhängende Kontur hat, deren einer, über die Oberfläche der Solarzelle herausragender Teil, das Querschnittsprofil eines Vielecks mit schrägen Kanten, vorzugsweise eines Dreiecks, darstellt, wohingegen der andere Teil beliebig gestaltet ist, insbesondere die Form eines Dreiecks, Vierecks, Halbkugel oder einer Mischform hat, und wobei dieser Teil des/der Drähte auf der Zelle oder insbesondere in einer entsprechenden Nut/Nuten in der Zelle eingesetzt und elektrisch mit dieser verbunden ist.
Durch diese Kontur des Drahtquerschnitts wird erreicht, daß durch die aus dem Wafer herausragende Dreiecksform des Drahtes eine direkte Reflexion des einfallenden Sonnenlichts auf den Wafer erfolgt und durch die spitzwinklige Ausbildung des Dreiecks ein deutlicher Anteil des einfallenden Sonnenlichtes, der sonst durch den Draht abgeschattet worden wäre, nunmehr noch auf den Wafer auftrifft und damit den optischen Wirkungsgrad erhöht. Durch die Veränderung des Winkels der Spitze des Dreiecks kann man diese Ausbeute optimieren.
Durch den anderen Teil der Kontur des Querschnitts des/der Drähte, die in die Nut/Nuten der Zelle (Wafer) eingebettet ist, kann die Größe des elektrischen Gesamtwiderstands des/der Drähte festgelegt werden. Man kann den Widerstand dieses Teils durch Vergrößerung des Querschnitts kleiner machen und kann außerdem das Dreieck bei gleichbleibendem Gesamtwiderstand kleiner machen, mit der Folge, daß die Abschattung geringer wird und der optische Wirkungsgrad der Anordnung steigt. Auf diese Weise kann man durch Variieren der Querschnitte von Dreieck und anhängendem anderen Teil den Gesamtwirkungsgrad oder aber die Wirkungsgrade der Teile beeinflussen.
Im Sinne der Erfindung kann man auch dadurch, daß der/die Drähte zumindest mit ihrer Dreieckskontur aus der Oberfläche der Zelle herausragen, nämlich gegebenenfalls auch etwas mehr, die Einstrahlungsreflexion des Sonnenlichts und damit den Wirkungsgrad beeinflussen.
Eine zweckmäßige Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Dreieckskontur oberhalb der Zelle gleichschenklig ist.
Bei direktem, senkrechten (lotrechten) Lichteinfall wäre ein Winkel an der Dreiecksspitze von kleiner 90° von Vorteil für die Direktreflexion auf die Solarzellenoberfläche. Jedoch sind alle anderen Winkel auch möglich, sind aber im Falle von Winkeln über 90° von geringerem Wirkungsgrad.
In weiterer Ausbildung der Erfindung kann es zweckmäßig sein, daß das Querschnittsprofil des/der Drähte ein Trapez darstellt, indem die Dreiecksspitze durch eine kleine Fläche ersetzt ist. Dies kann für Zwecke des Anlötens von kreuzenden Drähten günstig sein. Außerdem kann die Nuttiefe dann geringer gehalten werden.
Für die erfindungsgemäßen Drähte ist eine gute elektrische Leitfähigkeit wichtig. Es werden bevorzugt Metalle wie Kupfer, Silber, Gold, Aluminium Zinn, Zink oder Nickel und deren Legierungen verwendet. Möglich sind im Sinne der Erfindung auch kupferplattierte Stahldrähte sowie kupferplattierte Aluminiumdrähte.
In bevorzugter Weiterbildung der Erfindung sind die Drähte mit einer elektrisch leitfähigen, metallisch lötbaren oder klebefähigen Beschichtung versehen, die aus den Metallen Zinn, Blei, Zink Silber, Gold, Nickel, Platin, Palladium und deren Legierungen bestehen kann. Es ist aber auch möglich, eutektische Legierungen der Art Sn43/Bi57 oder Sn42/Bi58 zu verwenden oder eine Legierung auf der Basis Zinn/Indium.
Eine sehr interessante Beschichtung stellt die Legierung SnBiAgCu dar, bei der der Kupferanteil Cu deutlich über der Menge der normierten, natürlichen Verunreinigungsgrenzen, also der Spurenelemente, d. h. etwa 0,5 bis 1% liegt.
Ferner kann im Sinne der Erfindung auch eine Mehrfachbeschichtung ver wendet werden.
Die praktische Anwendung der Erfindung sieht vor, daß mehrere Drähte parallel in horizontaler und vertikaler Richtung auf einer Zelle angeordnet und am jeweiligen Kreuzungspunkt kontaktiert sind und daß diese Drähte auch die Verbindung zwischen mehreren Zellen (Solarzellenmodulen) herstellen. Bei sehr vielen Drähten in horizontaler und vertikaler Richtung spielt auch eine geringfügige Verbesserung des Wirkungsgrades bei einem Draht schon eine nicht zu vernachlässigende Rolle.
Im folgenden soll nun die Erfindung anhand der Zeichnung an mehreren Ausführungsbeispielen noch näher erläutert werden.
Es zeigen:
1 den Querschnitt eines erfindungsgemäßen Drahtes in der Form eines auf der Spitze stehenden Vierecks;
2 den Querschnitt eines Drahtes dessen oberer Teil die Kontur eines Dreiecks, dessen unterer Teil die Kontur eines Rechtecks aufweist;
3 den Querschnitt eines Drahtes, dessen unterer Teil. die Kontur- einer Halbkugel hat;
4 den Querschnitt eines Drahtes, dessen unterer Teil die Kontur eines Trapezes hat
5 den Querschnitt eines derzeit verwendeten Runddrahtes mit einfallenden und reflektierten Lichtstrahlen;
6 den Querschnitt eines erfindungsgemäßen viereckigen Drahtes mit einfallenden und reflektierten Lichtstrahlen;
7 eine schematische Darstellung der Oberseite einer Zelle mit sich kreuzenden Drähten.
In 1 ist ein Draht 1 im Querschnitt 2 gezeigt, dessen Kontur die Form eines auf die Spitze gestellten Vierecks, einer Raute, aufweist. Die Verbin dungslinie A-B der äußeren Spitzen des oberen Dreiecks stellt gleichzeitig die Oberfläche einer Zelle 8 dar, in die der Draht 1 mit seinem unteren Teil 2a eingesetzt ist. Die Seiten 3 des Dreiecks sind im einzelnen mit a, b, c und d bezeichnet. Die Seiten 3 des Dreiecks sind mit einer elektrisch leitfähigen, metallisch löt- oder klebefähigen Beschichtung 4 versehen, die gleichzeitig ein gutes Reflexionsverhalten aufweist. Der untere Teil 2a des viereckigen Drahtes ist mit seinen Seitenflächen c und d in eine Nut 6 der Zelle 8 eingesetzt und durch Löten oder Kleben oder anderweitiger Verbindung leitend mit dieser verbunden.
In den 2, 3 und 4 sind verschiedene Querschnittskonturen des unteren Teils 2a des Drahtes 1 dargestellt. Diese Konturen sind der Form der Nuten 6 in der Zelle angepaßt und können in ihrer Größe den Erfordernissen hinsichtlich des elektrischen Widerstandes entsprechend gewählt werden.
In 5 Ist ein Runddraht 5 im Querschnitt gezeigt, in der senkrecht einfallende Lichtstrahlen und ihre Reflexion dargestellt sind. Derartige Runddrähte werden üblicherweise für Solarzellen verwendet und man erkennt anhand der Zeichnung, daß die Abschattung für das von oben einfallende Sonnenlicht groß ist; die Fläche entspricht dem Durchmesser des Drahtes. Nur wenige Lichtstrahlen, wie L4, werden von der Oberfläche des Drahtes 5 auf die Oberfläche der Zelle 8 reflektiert. Eine Verschlechterung der optischen Ausbeute ergibt sich noch aus der verlaufenden Beschichtung 4 beim Anlöten des Drahtes auf der Zelle 8. Hinzu kommt, daß bei Runddrähten eine Vergrößerung des Durchmessers zur Verringerung des elektrischen Widerstandes unmittelbar Auswirkung auf die sich vergrößernde Abschattung und damit auf den optischen Wirkungsgrad hat. Diese Probleme bei Runddrähten waren Anlaß für das Zustandekommen der Erfindung.
Anhand der 6, die die Querschnittskontur der 1 hat, soll nun die Erfindung mit ihren Vorteilen erläutert werden. Ein auf der Spitze stehendes spitzwinkliges Viereck 1, eine Raute, ist beginnend mit seinen seitlichen Spitzen A und B und endend mit seiner unteren Spitze D, in die Nut 6 in einer Zelle 8 eingesetzt. Die Seitenflächen c und d sind mit ihrer Beschichtung 4 mit der Nut 6 verlötet oder anderweitig verbunden.
Man erkennt an der Figur, daß die senkrecht von oben einfallenden Sonnenstrahlen L1, L2, L3 an verschiedenen Stellen an den Seitenflächen a und b des Dreiecks auftreffen und auf die Zelle reflektiert werden. Obwohl also die Strecke A-B von dem Draht bedeckt wird, wird ein großer Teil der auf diese Strecke einfallenden Sonnenstrahlen genutzt, indem sie auf die Zelle 8 reflektiert werden. Durch die Veränderung des Winkels an der Spitze C kann die Menge des eingestrahlten Sonnenlichts optimiert werden.
In 7 ist eine praktische Ausführung einer Solarzelle schematisiert dargestellt. Man erkennt, daß viele Drähte 1 in horizontaler und in vertikaler Richtung auf einer Zelle 8 gespannt und gegebenenfalls in Nuten 6 eingepresst und verlötet sind. An Knotenpunkten 10 sind sie miteinander kontaktiert, vorzugsweise verlötet. Die über die Solarzelle hinausragenden Drahtenden werden mit solchen einer oben, unten oder seitlich liegenden, benachbarten Zelle verbunden, so daß ein sogenanntes Solarmodul entsteht. Durch die Reihen- und Parallelschaltung von vielen Solarzellen erhält man die gewünschte Gesamtspannung und Gesamtstromstärke des Solarmoduls.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10239845 C1 [0004]

Claims

Elektrisches Kontaktierungselement für photovoltaische Zellen, insbesondere Solarzellen, bei welchen ein oder mehrere elektrisch leitfähige Drähte, blank oder mit einer elektrisch leitfähigen Beschichtung an ihrer Außenseite, auf der lichtempfindlichen Oberfläche der Zelle, insbesondere einem Wafer, stromleitend angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Querschnittsprofil des/der Drähte (1) eine zusammenhängende Kontur hat, deren einer, über die Oberfläche der Solarzelle (8) hinausragender Teil das Querschnittsprofil eines Vielecks mit schrägen Kanten, insbesondere eines Dreiecks (2) darstellt, wohingegen der andere Teil (2a) beliebig gestaltet ist, insbesondere die Form eines Dreiecks, Vierecks, Halbkugel oder einer Mischform hat und wobei dieser Teil des/der Drähte auf der Zelle oder insbesondere in einer entsprechenden Nut/Nuten (6) in der Zelle eingesetzt und elektrisch mit dieser verbunden ist.
Elektrisches Kontaktierungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drähte (1) zumindest mit ihrer Dreieckskontur aus der Oberfläche der Zelle (8) herausragen.
Elektrisches Kontaktierungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dreieck gleichschenklig ist.
Elektrisches Kontaktierungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der/die elektrischen Drähte (1) das Querschnittsprofil eines Trapezes aufweist, indem die Dreiecksspitze durch eine kleine Fläche ersetzt ist.
Elektrisches Kontaktierungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Drähte alternativ aus Kupfer, Zinn, Zink, Silber, Gold, Aluminium oder Nickel und deren Legierungen bestehen.
Elektrisches Kontaktierungselement nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß die elektrischen Drähte alternativ aus kupferplattierten Stahldrähten oder kupferplattierten Aluminiumdrähten bestehen.
Elektrisches Kontaktierungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der/die elektrischen (1) Drähte mit einer elektrisch leitfähigen, metallisch löt- oder klebefähigen Beschichtung versehen sind, wobei diese insbesondere aus den Metallen Zinn, Zink Silber, Gold, Nickel Platin Palladium und deren Legierungen besteht.
Elektrisches Kontaktierungselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung auf der Basis der Legierung Zinn/Bismut, vorzugsweise aus der eutektischen Legierung Sn43/Bi57 mit Schmelzpunkt 139°C oder der nahezu identischen handelsüblichen Legierung Sn42/Bi58 besteht.
Elektrisches Kontaktierungselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß als Beschichtung eine Legierung Sn, Bi, Ag, Cu vorgesehen ist, deren eingestellter Cu-Anteil deutlich oberhalb der normierten natürlichen Verunreinigungsgrenzen (Spurenelemente) liegt.
Elektrisches Kontaktierungselement nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß als Beschichtung eine Legierung auf der Basis Zinn/Indium verwendet ist.
Elektrisches Kontaktierungselement nach einem der Ansprüche 7, 8, 9, 10 dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Beschichtungen übereinander auf dem/den Drähten aufgebracht sind.
Elektrisches Kontaktierungselement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Drähte (1) parallel in horizontaler und vertikaler Richtung auf einer Zelle (Wafer) angeordnet und am jeweiligen Kreuzungspunkt (10) kontaktiert sind und daß diese Drähte die Verbindung zwischen mehreren Zellen (Solarzellenmodul) herstellen.