DE10239845C1 - Elektrode für fotovoltaische Zellen, fotovoltaische Zelle und fotovoltaischer Modul - Google Patents
Elektrode für fotovoltaische Zellen, fotovoltaische Zelle und fotovoltaischer ModulInfo
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Abstract
Eine Elektrode zum Kontaktieren einer elektrisch leitfähigen Oberfläche, insbesondere wenigstens einer Oberfläche eines fotovoltaischen Elements (3), besteht aus einem elektrisch isolierenden, optisch transparenten Film (10), einer auf eine Oberfläche des Films (10) aufgebrachten Kleberschicht (11) und einer ersten Gruppe im Wesentlichen paralleler, elektrisch leitfähiger Drähte (5'), die in die Klebstoffschicht (11) eingebettet sind, aus der Klebstoffschicht (11) mit einem Teil ihrer Oberfläche hervortreten und wenigstens auf der aus der Klebstoffschicht (11) heraustretenden Oberfläche mit einer Schicht (2) aus einer Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt überzogen sind, wobei die Drähte (5') der ersten Gruppe mit einer ersten Kontaktleiste (20) elektrisch verbunden sind. DOLLAR A Eine zweite Gruppe im Wesentlichen parallel zueinander verlaufender Drähte (5'') ist zwischen dem transparenten Film (10) und den Drähten (5') der ersten Gruppe angeordnet, wobei die Drähte (5', 5'') der ersten und zweiten Gruppe zusammen ein Gitter (6) bilden und wobei die Drähte (5'') der zweiten Gruppe mit einer zweiten Kontaktleiste (22) elektrisch verbunden sind. DOLLAR A Die Elektrode ermöglicht, insbesondere weil sie sich als kontinuierliches Band herstellen lässt, eine wesentliche Vereinfachung der Herstellung fotovoltaischer Elemente und Module. Zusätzlich lässt sich eine erhebliche Verbesserung des Wirkungsgrades fotovoltaischer Zellen und Module erzielen. DOLLAR A Ferner werden die Elektrode aufweisenden ...
Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine Elektrode zum Kontaktieren elektrisch leitfähiger
Flächen, insbesondere zum Kontaktieren eines oder mehrerer fotovoltaischer Elemente als
Teil einer Fotovoltaikzelle oder Solarzelle. Die Erfindung bezieht sich ferner auf mit dieser
Elektrode hergestellte Fotovoltaikzellen.
Die Erzeugung elektrischer Energie durch Fotovoltaik (PV) hat einen hohen Stan
dard erreicht. Die Herstellung von PV-Zellen und PV-Modulen ist allerdings immer noch
recht kompliziert und teuer. Auch ist der Wirkungsgrad der Energieerzeugung mittels PV-
Modulen mit maximal etwa 17% recht gering. Die Erzeugung elektrischer Energie mit Hilfe
der Fotovoltaik ist daher für die allgemeine Stromerzeugung wirtschaftlich nur akzeptabel,
wenn sie in irgendeiner Weise unterstützt wird, z. B. durch das sogenannte 1000-
Dächerprogramm in Deutschland. Es besteht daher immer noch ein hoher Bedarf auf dem
Gebiet der Fotovoltaik, die Herstellungskosten zu verringern und den Wirkungsgrad der
Energieerzeugung mittels PV-Elementen und -Modulen zu erhöhen.
Übliche PV-Zellen enthalten ein Halbleiterelement mit einem Übergang des Typs
(n+n(oder p)p+) auf der Basis mono- oder polykristallinen Siliziums, amorphen Siliziums und
anderer Dünnfilm-Halbleiter mit einem eingebetteten pn-Übergang. Eine Oberfläche des
Elements ist im allgemeinen mit einer Metallschicht wie Aluminium oder nichtrostendem
Stahl abgedeckt, während die andere mit einem nicht reflektierenden Überzug versehen ist.
Beide Oberflächen stehen mit einer Elektrode in Berührung, die die erzeugte elektrische
Energie aufnehmen und abführen. Diese Struktur ist zwischen transparenten Schutzschich
ten wie Glas eingebettet.
Die Elektroden werden häufig nach dem Siebdruckverfahren hergestellt. Derart
hergestellte Elektroden haben aber einen hohen Reihenwiderstand. Darüber hinaus sind
teure Geräte und Ausrüstungen zur Herstellung notwendig und die Möglichkeiten der Kos
tenreduzierung sind aus prinzipiellen Gründen begrenzt.
Aus der US 5 759 291 A (Ichinose et al.) ist ein Halbleiterelement (Wafer) mit paral
lelen metallischen Kontakt- oder Stromabnahmedrähten bekannt, die mittels eines leitfähi
gen Klebers, in dem leitfähige Teilchen dispergiert sind, auf der Oberfläche des Elements
fixiert sind. Diese Elektrodendrähte sind parallel zwischen Anschlussleitern angeordnet, die
längs der Kanten des Elements verlaufen. Bei dieser Elektrodenart ist der ohmsche Über
gangs- oder Kontaktwiderstand zwischen der Halbleiteroberfläche und den Drähten verhält
nismäßig hoch, was entsprechend zu einem hohen Energieverlust und geringen Wirkungs
grad führt. Auch die Herstellung derartiger Zellen ist recht kompliziert.
Aus der US 5 084 107 A (Deguchi et al.) sind eine ähnliche Solarzelle und Reihe
von Solarzellen bekannt, bei denen metallische Elektrodendrähte mittels eines Klebstoffes
auf die Oberfläche des fotovoltaischen Elements geklebt sind. In dem Klebstoff sind leitfähi
ge Teilchen dispergiert. Auch bei dieser Elektrodenanordnung sind die Herstellungskosten
und der Übergangswiderstand zwischen den Drähten und der Oberfläche des Elements
recht hoch.
Aus der US 5 158 618 A (Rubin et al) ist eine Elektrodenanordnung bekannt, bei der
Kontaktdrähte in einem transparenten Polymerblock so eingebettet sind, dass sie etwas aus
dem Polymerblock herausragen. Diese Elektroden berühren das Element von einer oder
von zwei Seiten und sind zwischen transparenten Schutzschichten wie Glas eingeschlos
sen. Da die Elektrodendrähte z. B. als Spulen ausgebildet sind, ergibt sich nur ein Punkt
kontakt zwischen den Drähten und der Oberfläche des PV-Elements. Folglich ist auch hier
der Reihenwiderstand einer PV-Zelle verhältnismäßig hoch. Auch sind die Herstellungskos
ten verhältnismäßig hoch, weil es nicht möglich ist, die Solarzellen und -module in au
tomatischer Weise herzustellen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Elektrode zu schaffen, die es
gestattet, bei geringen Herstellungskosten den Übergangswiderstand zwischen den Elekt
roden und einer leitfähigen Fläche, insbesondere der oder den Oberflächen eines fotovol
taischen Elements, zu verringern.
Aufgabe der Erfindung ist es ferner, eine PV-Zelle zu schaffen, die es gestattet, un
ter Verwendung einer solchen Elektrode den Gesamt-Reihenwiderstand und die Herstel
lungskosten von PV-Zellen und -Modulen zu verringern und ihren Wirkungsgrad zu erhö
hen.
Erfindungsgemäß werden diese Aufgaben durch eine Elektrode der im Anspruch 1
und durch eine Reihe von Elektroden gemäß Anspruch 15 gelöst, sowie ferner durch eine
fotovoltaische Zelle oder eine Reihe fotovoltaischer Zellen (Modul) gemäß Anspruch 18.
Ausgestaltungen und bevorzugte Ausführungsformen sind in den Ansprüchen 2 bis
14, den Ansprüchen 16 und 17 bzw. im Anspruch 19 beschrieben.
Die erfindungsgemäße Elektrode ermöglicht einen innigen ohmschen Kontakt mit
der zu kontaktierenden Oberfläche. Es wird daher ein geringer Gesamt-Reihenwiderstand
einer PV-Zelle und -Moduls erzielt.
Dies gilt insbesondere für diejenigen Ausführungsformen, bei denen die Drähte der
ersten und zweiten Anzahl oder Gruppe gitterförmig zueinander liegen und mit winkel- oder
rahmenförmigen Anschlussleitern verbunden sind. Gleichzeitig können der Automatisie
rungsgrad und die Kapazität bei der Herstellung wesentlich erhöht werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausfüh
rungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine schematische isometrische Teilansicht einer PV-Zelle vor und
Fig. 2 nach einem Heiz- und/oder Pressschritt während der Herstellung einer PV-
Zelle,
Fig. 3 eine schematische isometrische Ansicht eines Gitters aus Kontaktdrähten,
Fig. 4 eine schematische isometrische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung
filmartiger klebefähiger, optisch transparenter Elektroden,
Fig. 5A die Ansicht einer auf der Vorrichtung der Fig. 4 hergestellten Elektrode,
Fig. 5B den Querschnitt A-A der Fig. 5A,
Fig. 5C die Ansicht eines Elektrodenbandes mit Drähten, die quer zur Richtung der
Drähte der Fig. 5A verlaufen,
Fig. 5D den Querschnitt A-A der Fig. 5C,
Fig. 6A die Ansicht eines Elektrodenbandes mit einem Drahtgitter,
Fig. 6B den Querschnitt B-B der Fig. 6A,
Fig. 6C den Querschnitt A-A der Fig. 6A,
Fig. 7 in einer schematischen isometrischen Explosionsdarstellung die wesentli
chen Elemente einer PV-Zelle vor dem Aufheizen und Verpressen,
Fig. 8 eine schematische isometrische Explosionsdarstellung einer zweiten Aus
führungsform der Elemente einer PV-Zelle vor dem Erhitzen und Verpres
sen,
Fig. 9A die Ansicht einer dritten Ausführungsform einer PV-Zelle,
Fig. 9B den Querschnitt A-A des fotovoltaischen Elements der Fig. 9A,
Fig. 10A die Ansicht mehrerer bandförmig angeordneter PV-Zellen, die parallel zu
einander geschaltet sind,
Fig. 10B den Schnitt A-A der Fig. 10A,
Fig. 10C den Schnitt B-B der Fig. 10A,
Fig. 11A die Ansicht mehrerer, bandförmig hintereinander angeordneter PV-Zellen
mit gitterförmigen Elektroden,
Fig. 11B den Schnitt A-A der Fig. 11A,
Fig. 12A eine weitere Ausführungsform einer Reihe bandförmig angeordneter PV-
Zellen, die hintereinander geschaltet sind,
Fig. 12B den Schnitt A-A der Fig. 13A,
Fig. 13 die Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Elektrodenbandes mit
gitterförmig angeordneten Elektrodendrähten, wobei die PV-Zellen eben
falls in Reihe zueinander geschaltet sind,
Fig. 14A die Ansicht einer endlosen Elektrode mit einzelnen Elektrodenabschnitten
zur Bildung jeweils einer PV-Zelle,
Fig. 14B den Schnitt A-A der Fig. 12A
Fig. 15A die Ansicht einer bandförmig angeordneten Reihe von PV-Zellen,
Fig. 15B den Schnitt A-A der Fig. 15A,
Fig. 15C den Schnitt B-B der Fig. 15A,
Fig. 16A eine weitere Ausführungsform mehrerer bandförmig hintereinander ange
ordneter PV-Zellen,
Fig. 16B den Schnitt A-A der Fig. 16A,
Fig. 16C den Schnitt B-B der Fig. 16A,
Fig. 17 die schematische Explosionsansicht der Elemente eines PV-Moduls mit in
Reihe geschalteten PV-Zellen,
Fig. 18 eine der Fig. 17 ähnliche weitere Ausführungsform eines PV-Moduls und
Fig. 19 eine weitere, denen der Fig. 17 und 18 ähnliche Ausführungsform eines
PV-Moduls.
Fig. 1 zeigt eine Halbleiterstruktur S, z. B. ein Element Si(n+n(oder p)p+), dessen
(stets bezogen auf die Darstellung in der Zeichnung) obere Oberfläche mit einer nicht re
flektierenden, elektrisch leitfähigen und optisch transparenten ITO-Schicht 4 abgedeckt ist. Das Element S kann auch
aus einem Dünnfilm-PV-Element bestehen. Die untere Oberfläche des Elements S ist ent
weder mit einer Metallschicht (z. B. Aluminium) oder ebenfalls mit einer unteren, nicht reflek
tierenden, elektrisch leitfähige und optisch transparenten Sicht 4 überzogen. Das Element S und die obere Schicht
4 bilden zusammen mit der (nicht gezeigten) Metallschicht oder der zweiten, unteren ITO-
Schicht 4 eine Einheit, die im Folgenden als Wafer 3 bezeichnet wird. Die beiden Oberflä
chen des Wafer 3 stehen in Kontakt mit Metalldrähten 1, die mit einer Schicht 2 aus einer
Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt überzogen sind. Die Drähte 1 können vollständig
oder nur teilweise an der oder den Seiten mit der Legierungsschicht 2 überzogen sein, die
der zu kontaktierenden Oberfläche zugewandt ist. Im Folgenden werden die überzogenen
Drähte als erste Menge oder Gruppe von Drähten 5' bezeichnet. Diese stehen in direktem
Kontakt mit der bzw. den Oberflächen des Wafer 3 bzw. der (den) ITO-Schicht(en) 4.
Fig. 2 zeigt die Anordnung der Fig. 1 nach dem Verpressen und Erhitzen auf 120°.
Das Material der Legierungsschicht 2 ist längs der Schicht 4 etwas verlaufen, hat diese be
netzt und steht mit dieser und den Drähten 5' in ohmschem Kontakt. Gleiches gilt für den
Fall, dass an der Unterseite des Elements S keine nicht reflektierende leitfähige Schicht 4,
sondern eine Metallschicht vorgesehen ist. Der Abstand der Drähte 5' braucht nicht gleich
mäßig zu sein, d. h. die parallelen Drähte 5' können in Gruppen aus zwei oder mehr Dräh
ten 5' mit unterschiedlichen Abständen zwischen den Drähten und den Drähten einer Grup
pe angeordnet sein.
Querschnittsform und -größe der Drähte werden nach Überlegungen gewählt, die
Stromdichte in den Drähten, den Reihenwiderstand der Zelle und die Größe der durch die
Drähte 5' abgeschatteten Waferfläche zu optimieren. Wie in Fig. 1 und 2 gezeigt, können für
die Drähte 5' verschiedene Querschnittsformen gewählt werden, z. B. kreisförmig, recht
eckig, dreieckig usw. Selbstverständlich wird für die Drähte 5' einer Zelle bzw. eines Moduls
jeweils nur eine Querschnittsform gewählt.
Fig. 3 zeigt ein Drahtgitter 6 aus Drähten 5' der ersten und Drähten 5" einer zweiten
Gruppe, wobei die Drähte 5', 5" der beiden Gruppen unter einem Winkel, im
allgemeinen senkrecht zueinander verlaufen. Die Drähte 5" sind ebenfalls, zumindest auf
den den Drähten 5' zugewandten Flächen, mit einer Legierungsschicht 2 versehen. Wenn
aber die Menge des Legierungsmaterials auf den Drähten 5' der ersten Gruppe für eine
sichere mechanische und elektrische Verbindung der beiden Drahtgruppen an den Kreu
zungspunkten ausreicht, könnte die Legierungsschicht auf den Drähten 5" der zweiten
Gruppe auch entfallen. Für die Wahl der Abstände der Drähte 5", der Querschnittsform und
-fläche gelten die gleichen Überlegungen wie für die Anordnung und Dimensionierung der
Drähte 5'. Selbstverständlich kann für die Drähte 5" eine andere Querschnittsform als für
die der Drähte 5' gewählt werden.
Fig. 4 zeigt die schematische Ansicht einer Vorrichtung zur Herstellung einer filmar
tigen, klebefähigen, optisch transparenten Elektrode. Die legierungsbeschichteten Drähte 5'
werden anfangs auf mehrere Rollen 7 gewickelt, deren Anzahl gleich der Breite der PV-
Zelle, geteilt durch die notwendigen Abstände zwischen den parallel verlaufenden Drähten
5' der ersten Gruppe ist. Zum Beispiel werden bei einer Breite der PV-Zellen von 100 mm
und einem Abstand zwischen den Drähten von 4 mm 26 Rollen 7 benötigt. Die Rollen 7
sind auf einer Achse 8 befestigt, sodass parallele Linien von Drähten 5' gebildet werden
können, die durch entsprechende Öffnungen in einem Rahmen 9 verlaufen. Der Abstand
zwischen den Öffnungen im Rahmen 9 wird durch den erforderlichen Abstand zwischen
den parallelen Drähten 5' bestimmt. Größe und Form der Öffnungen im Rahmen 9 müssen
Größe und Form der Querschnittsfläche der Drähte 5' entsprechen.
Die parallelen Drähte 5' werden auf einen Polymerfilm 10 aufgebracht, der von ei
ner Trommel 12 zugeführt wird. Die Oberfläche des den Drähten 5' zugewandten Films 10
ist mit einem transparenten Kleber 11 beschichtet. Die gesamte Breite des Films 10, auf
der sich die Drähte 5' befinden, ist größer als die Breite eines oder einer Reihe aus mehre
ren Wafern 3, sodass auf jeder Seite des Films 10 ein Bereich von 1,5 bis 2 cm von Dräh
ten 5' frei bleibt (Fig. 5A). Der Film 10 wird von der Trommel 12 über die Oberfläche einer
drehbaren Walze 13 geführt und wird von einer Trommel 15 gezogen, die gleichzeitig die
Drähte 5' zieht. Die Drähte 5' werden mittels einer weiteren, oberhalb der drehbaren Walze
13 angeordneten Walze 14 auf den Film 10 gepresst. Gleichzeitig wird der Film 10 durch
die Walzen 13 und 14 erhitzt, sodass der Kleber 11 erweicht, die Drähte 5' in den Kleber 11
eintauchen und nach dem Abkühlen am Film 10 und im Kleber 11 fixiert bleiben.
Fig. 5A und 5B zeigen das Ergebnis dieses Vorganges im Einzelnen, nämlich eine
transparente Elektrode 16. Die sich längs des Polymerfilms 10 erstreckenden Drähte 5' sind
in den Kleber 11 eingebettet und an den Film 10 angedrückt. Ein Teil der Oberfläche der
Drähte 5' ragt aus der Oberfläche des Klebers 11 hervor. In Fig. 5B sind links und rechts
nochmals andere mögliche Querschnittsformen der Drähte 5' gezeigt.
Eine der Fig. 4 ähnliche Herstellungsvorrichtung kann verwendet werden zur Her
stellung eines Polymerfilms 10 mit eingebetteten Drähten 5', die quer zur ursprünglichen
Richtung des Films 10 angeordnet sind (Fig. 5C, 5D). Dabei muss die Breite des Polymer
films 10 der geforderten Länge einer PV-Zelle oder eines PV-Moduls entsprechen. Nach
dem die Drähte 5' der ersten Gruppe in den Film 10 eingebettet sind, kann er quer zur ur
sprünglichen Erstreckung des Films 10 in Stücke geschnitten werden.
Der Abstand der Drähte 5', 5" braucht nicht gleichmäßig zu sein, d. h. die parallelen
Drähte 5', 5" können in Gruppen von zwei oder mehr Drähten mit unterschiedlichen Ab
ständen zwischen den Drähten und den Drähten einer Gruppe angeordnet sein.
Fig. 6A zeigt eine Elektrode 16 bestehend aus dem transparenten Polymerfilm 10
und einem Drahtgitter 6 aus den Drähten 5' und 5" der ersten und zweiten Gruppe. Nur die
Drähte 5", die näher am Polymerfilm 10 liegen, sind in den Kleber 11 eingetaucht (siehe
auch Fig. 6B und 6C). Die oberen Drähte 5', die in Kontakt mit der oder den Oberflächen
des Wafers 3 kommen, sind nicht, jedenfalls nicht vollständig, in den Kleber 11 eingebettet
(bei Herstellung eines Drahtgitters 6 liegt auf der Rolle 7 ein Drahtgitter und es wird kein
Rahmen 9 verwendet (Fig. 4)). Die Drähte 5', 5" könnten bereits hier miteinander verlötet
werden. Im allgemeinen geschieht dies aber erst beim Zusammenbau von Elektrode 16 und
Wafer 3.
Für den Polymerfilm 10 eignet sich eine ganze Palette von Materialien: Das Material
muss eine hohe Dehnbarkeit haben, gut isolieren, optisch transparent und thermisch stabil,
schrumpfresistent und gut klebefähig sein. Beispiele für solche Materialien sind Cellophan®,
Azetat, Fluorharze, Polysulfonate, Epoxyharze, Polyamidharze. Besonders gut ge
eignet sind Materialien auf der Basis von Fluorpolymer, beispielsweise der Polyvinylfluorid
film Tedlar® und modifiziertes ETFE-Fluorpolymerharz Tefzel®. Auch gut geeignet ist der
transparente Polymerfilm Mylar®. Diese Materialien werden im Allgemeinen und für elektro
technische Produkte zu Laminierzwecken verwendet.
Als Kleber 11 eignen sich viele Materialien, die eine Erweichungstemperatur zwi
schen etwa 90 und 110°C haben und an Polymerfilmen und der Oberfläche des Wafer 3 gut
haften. Bevorzugt sind Acrylkleber, Kautschukkleber, Siliconkleber und Polyvinylätherkleber
sowie Epoxykleber.
Die Kleberschicht 11 muss ausreichend dick sein, um eine zuverlässige Verbindung
der Elemente mit dem Wafer 3 zu gewährleisten. Die Kleberschichtdicke darf aber nicht die
Dicke der Drähte 5' übersteigen, sodass der aus dem Kleber 11 herausragende Teil der
Drähte 5', der mit der Legierung 2 überzogen und nicht in den Kleber 11 eingetaucht ist,
einen direkten ohmschen Kontakt mit der elektrisch leitfähigen Oberfläche des Wafer 3 bil
den kann (Fig. 5A, 5D, 6B, 6C).
Der Polymerfilm 10 muss ausreichend dick sein, damit er ausreichend stabil ist,
wenn der Kleber 11 aufgebracht und er beim Anbringen der Drähte 5', 5" unter Druck und
Hitze gezogen wird. Gleichzeitig sollte er so dünn wie möglich sein, um eine hohe Elastizität
und Transparenz für das durchtretende Licht zu erreichen. Vorzugsweise liegt die Dicke des
Polymerfilms 11 im Bereich zwischen 10 und 50 µm.
In den Fig. 5 und 6 bilden der Polymerfilm 10 mit der Kleberschicht 11 und den dar
an befestigten Drähten 5' bzw. dem Gitter 6 mit den Drähten 5', 5", die mit der Legierungs
schicht 2 aus der Oberfläche des Klebers 11 herausragen, eine durchgehende oder endlo
se filmartige, optisch transparente klebefähige Elektrode 16.
Die erfindungsgemäße Elektrode 16 eignet sich zur Herstellung von PV-Zellen und
-Modulen. Hierbei sind verschiedene Arten von metallischen Stäben oder Leisten und An
schlüsse notwendig, die den Strom von der Elektrode 16 aufnehmen und weiterleiten. Hier
zu ist es zweckmäßig, mit einigen Tropfen Kleber oder durch kurze lokale Erhitzung die
Metallstäbe oder -leisten an der Elektrode 16 zu befestigen, wodurch die Elektrode 16 auf
dem Kleber 11 gebondet oder fixiert wird. Der Abstand zwischen den Metallleisten und An
schlüssen unterschiedlicher Art muss so bemessen sein, dass die Wafer 3 zwischen ihnen
ausreichend Platz haben, sodass sie keinen direkten elektrischen Kontakt mit den Wafern
3 erhalten, wenn sich die Konstruktionselemente beim Aufheizen auf bis zu 160°C ther
misch beim Zusammenbau von Wafer 3 und Elektrode 16 ausdehnen.
Fig. 7 zeigt eine auseinandergezogene Darstellung einer PV-Zelle vor dem Verpres
sen und Erhitzen. Oberhalb und unterhalb des Wafers 3 ist je eine Elektrode 16 angeord
net. An zwei einander gegenüberliegenden Seiten des Wafers 3 befinden sich, quer zur
Längserstreckung der Drähte 5' der Elektroden 16, eine erste Kontaktleiste 20 und eine
zweite Kontaktleiste 22, die auf ihrer Unter- bzw. Oberseite mit einem Überzug 21 aus einer
elektrisch leitfähigen Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt versehen sind. Die Drähte 5'
der oberen Elektrode 16 erstrecken sich vom rechten Rand des Wafers 3 nach links über
die gegenüberliegende Kante des Wafers 3 hinaus bis zur linken Kante der zweiten Kon
taktleiste 22. Umgekehrt erstrecken sich die Drähte 5' der unteren Elektrode 16 von der
linken Kante des Wafers 3 bis zur rechten oder vorderen Kante der ersten Kontaktleiste 20.
Nach dem Erhitzen und Verpressen stehen die Drähte 5' der oberen Elektrode 16 in Kon
takt mit der linken, zweiten Kontaktleiste 22 und der oberen Oberfläche des Wafers 3, wäh
rend die Drähte 5' der unteren Elektrode 16 in ohmschen Kontakt stehen mit der Unterseite
der ersten Kontaktleiste 20 und der Unterseite des Wafers 3.
Die elektrisch leitfähigen Legierungen 2, 21 mit niedrigem Schmelzpunkt können
aus einem üblichen Lötmittel bestehen, oder auch aus einem Metall oder einer Metalllegie
rung (Ag, Sn, Ti, In usw.), denen organische Materialien zugemischt sind.
Fig. 8 zeigt eine ähnliche Anordnung, jedoch mit winkelförmigen Kontaktleisten 20,
22 und Elektroden 16 mit in Form eines Gitters 6 angeordneten Drähten 5', 5". Nach dem
Erhitzen und Verpressen steht das untere Gitter 6 in ohmschem Kontakt mit der rechten,
ersten winkelförmigen Kontaktleiste 20 und der Unterseite des Wafers 3, während das Git
ter 6 der oberen Elektrode 16 in ohmschem Kontakt steht mit der zweiten winkelförmigen
Kontaktleiste 22 und der Unterseite des Wafers 3.
Fig. 9A und 9B zeigen eine PV-Zelle, bei der die Kontaktleisten in Form eines aus
drei Lagen laminierten Rahmens 17 ausgeführt sind, in dessen Fenster das zugehörige
Wafer 3 aufgenommen ist. Die Drähte 5' verlaufen zwischen zwei einander gegenüberlie
genden Seiten des Rahmens 17, auf die sie aufgelötet sind.
Wie in Fig. 9B genauer gezeigt, besteht der Rahmen 17 aus zwei metallischen
Rahmen 18, zwischen denen sich ein vorzugsweise beidseitig klebender Isolierfilm 19 be
findet. Auf die Außenseiten der beiden Rahmen 18 ist jeweils eine leitfähige Legierungs
schicht 21 aufgebracht. Diese kann entfallen, wenn die Menge des auf den Drähten 5' vor
handene Materials für einen sicheren ohmschen Kontakt zwischen Rahmen 17 und Drähten
5' ausreicht.
Diese Ausführungsform eignet sich auch für die Verwendung mit einer gitterförmigen
Elektrode 16, wobei die Drähte 5" der zweiten Gruppe senkrecht zu den Drähten 5' der ers
ten Gruppe verlaufen und in ohmschem Kontakt mit der in Fig. 9A oben und unten gezeig
ten Seite des Rahmens 17 stehen.
Die folgenden Ausführungsbeispiele veranschaulichen, wie mit Hilfe der als endlo
ses Band hergestellten erfindungsgemäßen Elektrode eine Reihe von PV-Zellen in Reihe
und parallel zueinander zu PV-Modulen verschaltet werden können.
Fig. 10A, 10B und 10C zeigen eine endlose Elektrode 16 mit kammförmigen Kon
taktleisten 23, deren Längsstege 24 außerhalb der Drähte 5', parallel zu diesen und in Rich
tung der Längserstreckung der endlosen Elektrode 16 verlaufen. Mit den Längsstegen 24
einteilig verbunden sind in Querrichtung verlaufende Querstege 25 (die "Zinken" des Kam
mes), die jeweils aus der einen oder anderen Richtung zwischen die Abstände zwischen
hinter- oder nebeneinander angeordneten Wafern 3 ragen.
Wie in Fig. 10B gezeigt, sind die oberen Oberflächen der jeweils linken Querstege
mit einem Isolierfilm 19 versehen, während auf die jeweils untere Oberfläche ein Überzug
21 aus einer leitfähigen Legierung aufgebracht ist. Bei den jeweils rechten Querstegen be
findet sich der Isolierfilm 19 auf der unteren und der Überzug 21 aus einer leitfähigen Legie
rung auf der oberen Oberfläche.
Fig. 10C zeigt den Querschnitt B-B der Fig. 10A.
Bei der in den Fig. 10A bis 10C gezeigten Ausführungsform sind die so gebildeten
Fotozellen parallel zueinander geschaltet, weil die jeweils linken Querstege 25 mit den Un
terseiten der Wafer 3 und die jeweils rechten Querstege 25 mit der Oberseite der rechts
davon liegenden Wafer 3 verbunden sind.
Fig. 11A und 11B zeigen eine Ausführungsform, bei der, ähnlich wie in Fig. 9A, 9B,
die Anschlüsse in Form eines dreilagigen Rahmens 17 ausgeführt ist, der aus endlos hin
tereinander angeordneten Metallrahmen 18 und einem zwischen diesen angeordneten iso
lierenden Polymerfilm 19 laminiert ist. Auf den Außenseiten der Rahmen befindet sich je
weils ein leitfähiger, bei niedriger Temperatur schmelzender Überzug 21, der mit den Dräh
ten 5' und 5" der Elektrode 16 in ohmschem Kontakt steht.
Bei diesem Ausführungsbeispiel sind die so gebildeten einzelnen PV-Zellen parallel
zueinander geschaltet.
Fig. 12A und 12B zeigen eine Reihenschaltung aus mehreren hintereinander ange
ordneten PV-Zellen. Die in Querrichtung zu den Drähten 5' und zur Längserstreckung der
Elektrode 16 verlaufenden Kontaktleisten 25 sind auf ihrer Ober- und Unterseite jeweils mit
einem Überzug 21 aus einer leitfähigen Legierung versehen. Dabei steht jeweils die Ober
seite einer Kontaktleiste 25 mit der Oberseite des rechts davon liegenden Wafers 3 und die
Unterseite jeder Kontaktleiste 25 mit der Unterseite des links davon liegenden Wafers 3 in
ohmschem Kontakt.
Fig. 13 zeigt eine endlose Elektrode 16, wobei die Anschlüsse aus U-förmigen Kon
taktleisten 26 bestehen, deren in Längsrichtung verlaufende Stege 24 mit den Drähten 5"
und deren in Querrichtung der Elektrode 16 verlaufende Querstege 25 mit den Drähten 5' in
ohmschem Kontakt stehen.
Die Verbindung der einzelnen Fotozellen ist analog zu der in Fig. 12B gezeigten.
Fig. 14A und 14B zeigen eine Elektrode 16, wie sie für die Anordnung der Fig. 12A
und 12B und analog für die der Fig. 13 verwendet werden kann. Die Drähte 5' sind jeweils
durch Lochungen 29 unterbrochen, die entweder nur einen Draht 5' oder jeweils mehrere
Drähte 5' erfassen. Die Elektrode 16 bleibt natürlich formstabiler, wenn die Lochungen 29
jeweils nur einen Draht 5' unterbrechen; einfacher ist die Herstellung, wenn das entspre
chende Stanzwerkzeug gleichzeitig mehrere Drähte 5' erfasst. Gegebenenfalls müsste
unmittelbar nach dem Perforieren quer zur Längserstreckung der Elektrode 16 ein Band
oder Streifen aus einem nicht gezeigten Polymerfilm auf die Elektrode 16 aufgebracht wer
den.
Ähnlich lassen sich bei der Ausführungsform der Fig. 13 zusammen mit den Drähten
5' auch die in Längsrichtung verlaufenden Kontaktleisten 24 unterbrechen.
Auf diese Weise können jeweils auf der Unter- und der Oberseite der Wafer 3 iden
tische Elektroden 16 verwendet werden, die lediglich um die Breite des Abstandes zwi
schen den Querstegen 25 und der Kante eines Wafers 3 gegeneinander verschoben sind.
Bei der Ausführungsform der Fig. 13 müssten die Elektroden 16 zusätzlich noch um 180°
gegeneinander verdreht sein.
Ein grundsätzlich anderer Aufbau der Anschlüsse zur Ableitung der elektrischen
Energie von den PV-Zellen wird anhand der Fig. 15 bis 19 erläutert.
Basiselement der Ausgestaltung nach Fig. 15 ist ein aus zwei Metallrahmen (Metall-,
vorzugsweise Kupferfolie) 28 und einer zwischen diesen angeordneten Isolierfolie 19 lami
nierter dreilagiger Doppelrahmen 27, in dessen Mittelsteg eine parallel zum Mittelsteg an
geordnete Stufe vorgesehen ist, deren Höhe der Dicke der Metallfolie entspricht, d. h. etwa
0,2 bis 0,3 mm beträgt (Fig. 15A, 15B, 15C). Wie aus Fig. 15B ersichtlich, sind die
Metallrahmen 28 versetzt zueinander aufeinander gelegt, d. h. der linke, höhere Teil eines Metall
rahmens 28 liegt über dem rechten, unteren Teil des linken Nachbarn. Der zwischen den
beiden übereinanderliegenden Metallrahmen 28 benachbarter Doppelrahmen 27 befindliche
Isolierfilm 19 ist an seinen Enden nach oben bzw. unten gebogen ist und reicht bis zur O
berfläche der Rahmenkonstruktion. Die Drähte 5' stehen in ohmschem Kontakt mit den O
berflächen der Wafer 3 und den jeweils linken und rechten Stegen jedes Rahmenfensters.
Die Drähte 5" sind mit den Drähten 5' und den jeweils oberen und unteren Stegen der
Rahmen elektrisch verbunden. Die mit den Drähten 5' in Kontakt kommenden Oberflächen
der Metallrahmen 28 sind ggf. mit einer Legierungsschicht 21 mit niedrigem Schmelzpunkt
überzogen.
Auf diese Weise lässt sich eine beliebig lange Reihe von PV-Zellen in Reihe schal
ten.
Fig. 16A, 16B und 16C zeigen einen ähnlichen, vereinfachten Aufbau, wobei die
Elektrode 16 der in Fig. 5C und 5D gezeigten entspricht. Statt der Metallrahmen 28, aus
denen die einzelnen Elemente bestehen, sind hier mit einer Stufe versehene Längsstege 32
vorgesehen, die ebenso wie die Metallrahmen 28 aneinandergereiht sind.
Fig. 17 zeigt in auseinandergezogener Darstellung, stellvertretend für eine ganze Rei
he, zwei versetzt aufeinander gelegte Metallrahmen 28, mit der Besonderheit, dass die
jeweils rechten, unteren Fenster von Querstegen 31 überspannt sind, die mit dem Metall
rahmen 28 einteilig in Verbindung stehen. Die Stege 31 übernehmen bei dieser Ausfüh
rungsform die Funktion der Drähte 5' der erfindungsgemäßen Elektrode, d. h. sie sind in der
fertigen PV-Zelle in ohmschem Kontakt mit der jeweils unteren Oberfläche des darüber lie
genden Wafers 3.
Um die endlose Reihe in Reihe geschalteter PV-Zellen abzuschließen, sind an ihren
Enden einfache Rahmen 30 vorgesehen, wobei der am linken Ende der Reihe vorgesehene
einfache Rahmen 30 ebenfalls mit Stegen 31 versehen ist.
Komplettiert wird der Aufbau durch eine obere Elektrode 16 mit einzelnen Elektro
dengittern 6, deren Drähte 5' in der fertigen PV-Zelle direkt mit der oberen Oberfläche der
Wafer 3 verbunden sind. Die untere Elektrode 16 trägt in Längsrichtung verlaufende Draht
abschnitte oder -felder, die in der fertigen Zelle mit den Stegen 31 und dem Rahmen 30
verbunden sind. Sie übernehmen hier die Rolle der Drähte 5", d. h. der nur mittelbar mit der
Oberfläche verbundenen Drähte.
Fig. 18 zeigt eine der Fig. 17 ähnliche Ausführungsform, mit dem Unterschied, dass
statt der unteren Elektrode 16 ein mit einem Kleber 11 versehener transparenter Polymer
film 10 vorgesehen ist.
Eine denen der Fig. 17 und 18 ähnliche Ausführungsform ist schließlich in Fig. 19
gezeigt. Die obere Elektrode 16 hat ein durchgehendes Gitter 6. Um die Drähte 5' der Elekt
rode 6 nach dem Erhitzen und Verpressen auftrennen zu können, ist im linken Steg und im
Mittelsteg der Rahmen 28 sowie im linken und rechten Steg des oberen und des unteren
Rahmens 30 je ein Schlitz 33 vorgesehen, der parallel zur Stufe 33 verläuft. Diese Schütze
33 erlauben es, die Drähte 5' der oberen Elektrode 16 nach dem Zusammenbau des Mo
duls zu durchtrennen. Die Breite des Schlitzes muss so bemessen sein, dass die Drähte 5'
dauerhaft voneinander isoliert bleiben. Bei Verwendung eine entsprechenden Werkzeugs,
könnte man auch ohne den Schlitz 33 auskommen, wenn die dauerhafte Trennung der
Drähte garantiert ist.
Claims (19)
1. Elektrode zum Kontaktieren einer elektrisch leitfähigen Oberfläche, insbesondere
wenigstens einer Oberfläche eines fotovoltaischen Elements (3), mit einem elektrisch isolie
renden, optisch transparenten Film (10), mit einer auf eine Oberfläche des Films (10) auf
gebrachten Klebstoffschicht (11), und mit einer ersten Gruppe im Wesentlichen paralleler,
elektrisch leitfähiger Drähte (5'), die in die Klebstoffschicht (11) eingebettet sind, aus der
Klebstoffschicht (11) mit einem Teil ihrer Oberfläche hervortreten und wenigstens auf der
aus der Klebstoffschicht (11) heraustretenden Oberfläche mit einer Schicht (2) aus einer
Legierung mit niedrigem Schmelzpunkt überzogen sind, wobei die Drähte (5') der ersten
Gruppe mit einer ersten Kontaktleiste (20) elektrisch verbunden sind.
2. Elektrode nach Anspruch 1, wobei eine zweite Gruppe im Wesentlichen parallel zu
einander verlaufender Drähte (5") zwischen dem transparenten Film (10) und den Drähten
(5') der ersten Gruppe angeordnet ist, wobei die Drähte (5', 5") der ersten und zweiten
Gruppe zusammen ein Gitter (6) bilden, und wobei die Drähte (5") der zweiten Gruppe mit
einer zweiten Kontaktleiste (22) elektrisch verbunden sind.
3. Elektrode nach Anspruch 2, wobei die erste und zweite Kontaktleiste (20, 22)
elektrisch miteinander verbunden sind.
4. Elektrode nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Kontaktleiste(n) (20,
22) an den jeweiligen Enden der Drähte (5', 5") angeordnet sind.
5. Elektrode nach Anspruch 4, wobei die Kontaktleiste(n) (20, 22) an gegenüberliegen
den Enden der Drähte der ersten oder der ersten und zweiten Gruppe von Drähten (5', 5")
außerhalb der Kontur des fotovoltaischen Elements (3) angeordnet sind, mit dessen
Oberfläche die Drähte (5', 5") zu verbinden sind.
6. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die ersten und zweiten Kontakt
leisten (20, 22) zu einem Winkel miteinander verbunden sind (Fig. 8).
7. Elektrode nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Kontaktleisten (20, 22) als
U-förmiger Rahmen ausgebildet sind, wobei die Drähte (5') einer der beiden Gruppen mit
der Basis und die Drähte (5') der anderen Gruppe mit den freien Schenkeln des U verbun
den sind (Fig. 13).
8. Elektrode nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktleisten (32)
sich über die Länge zweier nebeneinander angeordneter, anzuschließender fotovoltaischer
Elemente (3) erstrecken und in ihrer Mitte mit einer Stufe versehen sind, sodass mehrere
Kontaktleisten (32) zu einer Reihe zusammengefügt werden können, in der jeweils die eine
Hälfte einer Kontaktleiste (32) unter bzw. über der unteren bzw. oberen Hälfte der benach
barten Kontaktleiste (32) liegt, wobei zwischen den Kontaktleisten (32) ein Isolierfilm (19)
angeordnet ist (Fig. 16).
9. Elektrode nach Anspruch 5, wobei die Kontaktleisten als geschlossener Rahmen
(17) ausgebildet sind, dessen Öffnungsweite größer ist als die Abmessungen des
entsprechenden fotovoltaischen Elements (3) (Fig. 9).
10. Elektrode nach Anspruch 5, wobei die Kontaktleiste(n) als Doppelrahmen (17) mit
zwei nebeneinanderliegenden Fenstern ausgebildet ist, deren Öffnungsweite größer ist als
die Abmessungen der entsprechenden fotovoltaischen Elemente (3).
11. Elektrode nach Anspruch 9 oder 10, wobei der Rahmen (17) aus zwei metallischen
Rahmen (18) mit einem zwischen ihnen angeordneten Isolierfilm (19) ausgebildet ist.
12. Elektrode nach Anspruch 10 oder 11, wobei im Mittelsteg des Doppelrahmens (17)
eine Stufe ausgebildet ist, sodass mehrere Rahmen (17) zu einer Reihe zusammengefügt
werden können, in der jeweils die eine Hälfte eines Doppelrahmens (17) unter bzw. über
der unteren bzw. oberen Hälfte des benachbarten Doppelrahmens (17) liegt.
13. Elektrode nach Anspruch 11 oder 12, wobei im mittleren Steg des Doppelrahmens
(17) ein Schlitz (33) vorgesehen ist, der parallel zur Stufe verläuft, sodass die durchlaufen
den Drähte (5', 5") der Elektrode (16) nach Fertigstellung eines PV-Moduls aufgetrennt
werden können.
14. Elektrode nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei wenigstens ein Fenster
des/der Rahmen(s) von metallischen Stegen (31) überspannt sind, die mit dem zugehörigen
metallischen Rahmen (18) einteilig verbunden sind.
15. Eine Mehrzahl von Elektroden nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die
Elektroden als endloses, durchgehendes Band ausgebildet sind, das sich entsprechend der
Länge einer Reihe nebeneinander liegender, zu kontaktierender fotovoltaischer Elemente
(3) zur Bildung eines PV-Moduls aufschneiden lässt, wobei die in Längsrichtung des Ban
des verlaufenden Drähte (5', 5") in Abständen aufgetrennt sind, die den Abständen der PV-
Zellen entsprechen (Fig. 14).
16. Elektrodenband nach Anspruch 15, wobei längs wenigstens einer der Kanten des
transparenten Films (10) eine endlose Kontaktleiste (22) vorhanden ist.
17. Elektrodenband nach Anspruch 16, wobei längs jeder Kante des transparenten
Films (10) kammförmige Kontaktleisten (23) verlaufen, deren Zähne (25) jeweils von einer
Seite zwischen zwei nebeneinander liegende fotovoltaische Elemente (3) über die Breite
der Drähte (5') der ersten Gruppe hineinragen und wechselseitig in elektrischem Kontakt mit
der Oberseite und Unterseite zugehöriger fotovoltaischer Elemente (3) liegen und von der
anderen Oberfläche isoliert sind.
18. Fotovoltaische Zelle oder fotovoltaischer Modul mit wenigstens einer Elektrode oder
einem Elektrodenband nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer bzw. mehreren
fotovoltaischen Zellen (3) mit einer elektrisch leitfähigen, nicht reflektierenden, optisch
transparenten Schicht (4) auf wenigstens einer ihrer Oberflächen, wobei die Drähte (5') der
ersten Gruppe mit Hilfe der Legierung (2) auf die Schicht (4) und auf die jeweiligen Kontakt
leisten (20) oder Kontaktrahmen (17) gebondet sind.
19. PV-Zelle oder PV-Modul nach Anspruch 18, mit einer Elektrode (16) nach Anspruch
2, wobei die Drähte (5', 5") der ersten und zweiten Gruppe mittels der Legierung (2) an ih
ren Kreuzungspunkten und auf die jeweiligen Kontaktleisten oder Kontaktrahmen gebondet
sind.
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