DE102009035703B4

DE102009035703B4 - Verfahren zur Herstellung von Verbünden flexibler Dünnschichtsolarzellen

Info

Publication number: DE102009035703B4
Application number: DE200910035703
Authority: DE
Inventors: Christian Scheit
Original assignee: Solarion AG
Current assignee: OC3 AG, DE
Priority date: 2009-08-02
Filing date: 2009-08-02
Publication date: 2014-11-27
Anticipated expiration: 2029-08-03
Also published as: DE102009035703A1

Abstract

Verfahren zum Herstellen von Verbünden flexibler Dünnschichtsolarzellen durch Verschalten einzelner Zellen oder Zellkomplexe, wobei diese Dünnschichtsolarzellen jeweils aus einem flexiblen Träger, einer auf dem Träger aufgebrachten Rückkontaktschicht, einer auf der Rückkontaktschicht aufgebrachten photoaktiven Schicht, einer auf der photoaktiven Schicht aufgebrachten Pufferschicht und einer auf der Pufferschicht aufgebrachten Frontkontaktschicht bestehen, wobei Front- und Rückkontaktschicht mit Sammelkontakten versehen sind, wobei zunächst alle Schichten der Dünnschichtsolarzellen einschließlich des Trägers durchstoßen werden, danach durch eine derart entstandene Offnung ein elektrisch leitfähiger Draht mit elektrisch isolierender Ummantelung geführt wird, dessen Ummantelung anschließend lokal abgetragen wird und nachfolgend mindestens ein abisolierter Abschnitt des Drahtes mit dem Sammelkontakt der Frontkontaktschicht einer Dünnschichtsolarzelle und mindestens ein anderer abisolierter Abschnitt desselben Drahtes mit dem Sammelkontakt der Rückkontaktschicht einer weiteren Dünnschichtsolarzelle elektrisch kontaktiert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen von Verbünden flexibler Dünnschichtsolarzellen durch Verschalten einzelner Zellen oder Zellkomplexe. Eine Verschaltung ist die elektrische Verbindung einzelner Solarzellen zu Solarzellverbünden.
Ausgangspunkt sind Dünnschichtsolarzellen auf flexiblem Substrat, bevorzugt Polymer-Substrat z. B. Polyimid, wobei das Verfahren auf andere Zelltechnologien ausgeweitet werden kann.
Es ist bereits bekannt, Dünnschichtsolarzellen herzustellen und zu Verbünden zu vereinigen. Dünnschichtsolarzellen z. B. der Solarion AG haben den Aufbau, der in 1 dargestellt ist. Dabei zeigt 1 oben eine Aufsicht und 1 unten einen Querschnitt solch einer Dünnschichtsolarzelle. Die Herstellung derartiger Dünnschichtsolarzellen folgt einer allgemein bekannten Technologie.
Auf einem Substrat (1) wird eine metallische Schicht (2) in einem Vakuumprozess abgeschieden. Diese metallische Schicht dient als Rückkontakt, auch als Rückseitenelektrode bezeichnet, der Dünnschichtsolarzelle. Auf diese Schicht wird dann die photoaktive Schicht (3) abgeschieden, was meist in einem Vakuumprozess geschieht. Eine transparente, elektrisch leitfähige Schicht (5) wird als Frontkontakt oder Vorderseitenelektrode aufgebracht. Zwischen Frontkontakt und photoaktiver Schicht werden diverse Pufferschichten (4) eingebaut. Zur Unterstützung der Leitfähigkeit des Frontkontaktes können auf diesen zusätzlich noch metallische Kontaktfinger und Sammelkontakte (6) aufgebracht werden.
Häufig wird als Substrat eine Polyimidfolie verwendet. Somit ist das Kontaktieren der metallischen Rückkontaktschicht von der Rückseite her nicht ohne weiteres möglich. Eine Kontaktierung des Rückkontaktes lässt sich aber von der Vorderseite der Solarzellen durch ein Entfernen aller über dieser Schicht liegenden Schichten erreichen. Ein zusätzliches Aufbringen metallischer Sammelkontakte (7) auf die freigelegte Rückkontaktschicht verbessert das Abführen der in der photoaktiven Schicht erzeugten Ladungsträger. Beide Kontakte – sowohl der Rückkontakt als auch der Frontkontakt liegen bei dieser Variante auf der Vorderseite der Solarzelle und müssen durch eine weitere Strukturierung des Materials (8) elektrisch voneinander getrennt werden.
Zur Herstellung von Solarmodulen müssen die beschriebenen Dünnschichtsolarzellen miteinander verschaltet werden. Für eine Reihenschaltung muss dabei der Frontkontakt einer Solarzelle mit dem Rückkontakt einer folgenden Zelle verbunden werden. Im Falle einer Parallelschaltung müssen jeweils die Frontontakte und die Rückkontakte zweier oder mehrerer Solarzellen miteinander verbunden werden.
Die Dünnschichtsolarzellen, welche auf flexiblen Substraten (z. B. Polyimidfolie) hergestellt werden, zeichnen sich durch ein hohes Maß an Flexibilität im mechanischen Sinne aus. Diese Flexibilität soll natürlich auch für die Solarmodule erhalten bleiben. Es ist also die Aufgabe gestellt, eine Verschaltungstechnologie zu finden, welche die Flexibilität der Solarzellen nicht einschränkt.
DE 3 317 309 C2 beschreibt eine Verschaltung, wobei einzelne Solarzellen auf eine mit integrierten Metalldrähten versehene Trägerfolie gebracht werden. Mittels Laserstrahlung werden die Metalldrähte lokal freigelegt und mit den Kontaktierungen der Solarzellen verbunden.
Im Falle eines leitfähigen Substrates lässt sich die in US 3 769 091 A vorgeschlagene Schindelung einzelner Solarzellen anwenden, wobei die elektrisch leitfähige Rückseite überlappend auf die Vorderseite einer benachbarten Zellen gelegt und elektrisch verbunden wird. Bei einem flexiblen Substrat lässt sich dann eine flexible Verschaltung erreichen. Dieses Konzept lässt sich aber nicht auf Solarzellen mit einem elektrisch isolierenden Substrat übertragen.
In US 3 903 427 A und in US 7 276 724 B2 wird vorgeschlagen, Löcher durch das gesamte Schichtpaket zu erzeugen und die eigentliche Durchkontaktierung bei der Abscheidung des transparenten leitfähigen Oxids auf der sonnenzugewandten Seite zu bewirken oder eine elektrisch leitfähige Paste zu applizieren. Für beide Verfahren besteht aber die Gefahr beim Durchkontaktieren im Loch den Frontkontakt und den Rückkontakt der Solarzellen kurzzuschließen und somit die Solarzelle in ihrer Funktion zu stören. Zum Umgehen dieses Problems wird in beiden oben benannten US-Patentschriften eine Isolierung der Innenwände des Loches vorgeschlagen. Dies kann z. B. durch Abscheiden einer elektrisch nicht leitfähigen Schicht in einem Vakuumprozess (meist Sputtern/zur verbesserten Bedeckung der Innenwände des Loches) oder durch das Applizieren eines Dielektrikums in Form einer elektrisch nicht leitenden Paste erfolgen.
Eine interessante Möglichkeit zur Verschaltung flexibler Dünnschichtsolarzellen stellt das Vernähen dar. Die Idee an sich ist nicht neu und wird z. B. von Dr. Friedrich Kessler in „Neue Chalkopyrit (CIS) - Dünnschichtsolarzellen - flexibel, leicht, effektiv” in FVS Themen 2003, Seite 57 ausgeführt. Das Nähen erfolgt hier auf eigens freigelegten Bereichen des metallischen Rückkontaktes der Solarzellen. Auf dem Frontkontakt der Zellen wird der Draht nur geklebt. Bei diesem Verfahren werden also nur das Substrat und der metallische Rückkontakt durchstoßen.
Alle anderen Schichten werden vom Faden nicht durchstoßen. Diese Vorgehensweise ist insofern verständlich, da ein Durchstoßen des Front- und Rückkontaktes an ein und derselben Stelle mit einem leitfähigen Draht zu einem elektrischen Kurzschluss beider Kontakte (s. hierfür 2) und somit zum Ausfall der Solarzelle führen würde. Darüber hinaus hat dieses Verfahren den Nachteil, dass der Nahtbereich nicht zur Erzeugung eines Photostromes beiträgt, da hier alle Schichten bis zur metallischen Rückkontaktschicht entfernt werden.
Die in den beiden oben benannten US-Patentschriften US 3 903 427 A und US 7 276 724 B2 vorgestellten Verfahren haben den Nachteil, dass ein zusätzlicher Prozessschritt zur Isolierung der Lochinnenwände nötig ist. Darüber hinaus ist ein vollständiges Bedecken der Lochinnenwände technologisch anspruchsvoll und aufwändig. Bleiben nach der Isolierung Teile der Innenwände frei, besteht nach wie vor die Gefahr eines Kurzschlusses.
Die Erfindung hat die Aufgabe, Dünnschichtsolarzellen mit einem leitfähigen Draht zu vernähen, ohne sie dabei kurzzuschließen. Darüber hinaus sollen zum Vernähen keine weiteren inaktiven Flächen vorgesehen werden. Dies soll in technologisch einfacher Weise erfolgen, mit hoher Produktivität und Energieausbeute.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand von Unteransprüchen, deren technische Merkmale in einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden.
Eine zentrale Idee der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, auf die Isolierung der Löcher zu verzichten. Das Problem des Kurzschlusses beim Durchstoßen aller Schichten der Dünnschichtsolarzelle mit einem elektrisch leitfähigen Draht wird damit gelöst, dass die Isolierung, d. h. die elektrisch isolierende Ummantelung gleich mit dem eigentlichen Verbindungsmaterial, dem metallischen Kernmaterial „mitgebracht” wird. Das Problem wird also von einer ganz anderen Seite her gelöst als im Stand der Technik bekannt. Nach der Erzeugung eines Loches wird dieses belassen wie es ist, ohne zusätzlich aufwändige Beschichtungen der Innenwände des Lochs vorzunehmen.
Die Ummantelung kommerziell erhältlicher beschichteter Drähte ist lückenlos (eine lückenlose Isolierung der Innenwände eines Loches ist wie bereits angesprochen technologisch anspruchsvoll). Die Gefahr eines Kurzschlusses durch den Draht wird erfindungsgemäß vollständig unterbunden, indem eine Dünnschichtsolarzelle durchbohrt wird, wobei ein Loch entsteht, durch welches ein isolierter Leiter geführt wird. Die bisher auftretende Gefahr eines Kurzschließens an Front- und Rückkontakt beim Durchstoßen der Öffnung wird durch die Verwendung eines mit einer Isolierung ummantelten Drahtes behoben. Nachdem Dünnschichtsolarzellen mit diesem modifizierten Draht vernäht worden sind, erfolgt ein selektives Entfernen der Ummantelung des Drahtes (z. B. mittels Laserstrahlung) und damit eine Freilegung des metallischen Kernmaterials in ganz bestimmten Bereichen. Anschließend kann der freigelegte Draht mit den Kontakten der Solarzelle elektrisch verbunden werden, z. B. mittels elektrisch leitfähigen Klebers.
Detaillierte Beschreibung des Prozessablaufes
Nachfolgend erfolgt eine detaillierte Beschreibung des Prozessablaufes anhand von 2.
Die zu verbindenden Dünnschichtsolarzellen 10 und 11 werden so nebeneinander positioniert, dass der Sammelkontakt 13 des Frontkontaktes der Dünnschichtsolarzelle 11 parallel neben dem Sammelkontakt des Rückkontaktes 14 der Dünnschichtsolarzelle 10 liegt. Die einzelnen Dünnschichtsolarzellen können dabei sowohl freiliegend positioniert als auch auf einem gemeinsamen Träger positioniert und fixiert werden.
Anschließend erfolgt das Vernähen der Dünnschichtsolarzellen mithilfe eines ummantelten und somit elektrisch isolierten Drahtes. Solch ummantelte Drähte sind z. B. in Form von Polyurethanbeschichteten Kupferdrähten kommerziell erhältlich. Die Dicke der isolierenden Ummantelung des Drahtes kann prinzipiell beliebig gewählt werden. Das Nähen kann dabei im üblichen Sinne mithilfe einer Nadel erfolgen.
Zum maschinellen Herstellen der Naht können Näh- und Stickmaschinen bzw. Abwandlungen davon verwendet werden. Es können prinzipiell übliche Industrienähmaschinen eingesetzt werden.
Es ist aber auch möglich, zunächst Löcher in den Dünnschichtsolarzellen zu erzeugen und den Draht durch diese Löcher zu fädeln. Die Löcher können beispielsweise mit einem Laserstrahl oder einem mechanischen Stanzwerkzeug erzeugt werden. Die Form der Naht kann prinzipiell beliebig gewählt werden. 3 zeigt eine mögliche Form.
Damit die Sammelkontakte der Solarzellen mit den elektrisch leitfähigen Drähten verbunden werden können, muss die elektrisch isolierende Ummantelung der Drähte selektiv entfernt werden. Im Falle der Polyurethan-beschichteten Kupferdrähte wird die Ummantelung chemisch oder mithilfe eines Lasers entfernt werden. Letzteres ist ein bekanntes Verfahren und lässt ein definiertes und sauberes Entfernen zu.
Zum Entfernen einer isolierenden Polyurethan-Beschichtung um einen Draht können z. B. gepulste Excimer-Laser oder gepulste CO2-Laser verwendet werden, wobei mit ersterem System etwas bessere (sauberere) Resultate beim Abtrag der Isolierung erzielt werden. Die Wellenlänge dieser Lasersysteme liegen dabei typischerweise im Infraroten (CO2) bzw. im Ultravioletten (Excimer). Die für den Abtrag der Isolierung verwendeten Laserfluenzen pro Puls können dabei im Bereich von 100 mJ/cm2 bis zu 100 J/cm² liegen. Die Repetitionsraten des Lasers liegen im Bereich von einigen Hz bis zu mehreren kHz. Die Anzahl der Laserpulse, die für einen sauberen Abtrag notwendig sind, richten sich nach Art und Dicke der isolierenden Ummantelung.
Wird einer der oben beschriebenen Laser auf die Oberfläche der isolierenden Beschichtung des Drahtes fokussiert, kann ein Entfernen dieser Schicht über eine Laser-Ablation des Materials erreicht werden. Der Abtrag wohldefinierter Bereiche kann über das Verwenden von Masken erzielt werden, welche zwischen Laser und beschichtetem Draht positioniert werden.
Die laterale Ausdehnung der Freilegungen des metallischen Drahtes kann dabei in einem Bereich von einigen μm bis zu mehreren cm beliebig angepasst werden.
Anschließend werden die freigelegten Metalldrähte mit den Kontakten der Dünnschichtsolarzellen verbunden. Dies kann z. B. mithilfe eines elektrisch leitfähigen Klebstoffes erfolgen, womit zugleich die mechanische Anbindung der Drähte an die Dünnschichtsolarzellen gewährleistet wird. Der Auftrag eines Leitklebers kann dabei mithilfe eines Dispensers erfolgen. Kommerziell erhältliche Dispenser arbeiten z. B. mit druckbeaufschlagten Kartuschen, Spindelventilen oder Jet-Ventilen, wobei letzteres höhere Durchsätze in einer Massenfertigung erwarten lässt.
Nach dem Applizieren eines Leitklebers muss dieser entsprechend der Anweisung des Leitkleberherstellers in einem Trockenofen ausgehärtet werden.
Abwandlungen zum oben beschriebenen Prozess
Die Dünnschichtsolarzellen können auch dann nach der Methodik des oben beschriebenen Prozesses verschaltet werden, wenn keine zusätzlichen Sammelkontakte auf den Zellen vorhanden sind. Das Verbinden der freigelegten Drähte kann auch direkt auf dem transparenten Frontkontakt bzw. auf der freigelegten Rückkontaktschicht erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren lässt sich prinzipiell auf jeden Typ der Dünnschichtsolarzellen auf flexiblem Substrat anwenden. Folgende Typen dienen als Beispiel:

– Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid, Kupfer-Indium-Diselenid, Kupfer-Gallium-Dieselenid (bzw. Selen substituiert durch Schwefel)
– Amorphes Silizium
– Cadmium-Tellurid
– Mikrokristallines Silizium
– Gallium-Arsenid

Als flexibles Substrat können Plastikfolien, z. B. Polyimidfolie, Metallfolien, z. B. Kupfer-, Stahl- oder Titanfolien oder Verbundwerkstoffe wie z. B. glasfaserverstärkte Gewebe eingesetzt werden.
Abweichend von der obigen Beschreibung des Prozesses können die Dünnschichtsolarzellen zunächst mit Löchern versehen und anschließend entsprechend nebeneinander positioniert werden.
Zum Vernähen der Zellen lässt sich prinzipiell jeder metallische Draht (Kupfer-, Silber-, Aluminiumdraht etc.) verwenden. Als isolierende Beschichtung der Drähte können z. B. Polyurethan, PVC, PET, PTFE etc. verwendet werden.
Die elektrische Verbindung des freigelegten Drahtes mit den Kontaktierungen der Solarzelle kann neben dem Applizieren eines elektrisch leitfähigen Klebers auch über einen Löt- oder Schweißprozess erreicht werden.
Der Lötprozess kann z. B. im so genannten Reflow-Verfahren über das Aufbringen und Aufschmelzen einer Lotpaste geführt werden. Ein Aufschweißen des freigelegten Drahtes auf die Kontakte kann z. B. über Laserstrahlschweißen erfolgen. Wird für das Verbinden des Drahtes mit den Kontaktierungen des Solarzelle das Laserschweißen verwendet, kann das Entfernen der isolierenden Ummantelung des Drahtes und die Verbindung des Drahtes mit der Kontaktierung der Oberfläche in einem Prozessschritt durchgeführt werden und somit der Durchsatz in einer Massenfertigung erhöht werden.
Als Vorrichtung zum Vernähen der Dünnschichtsolarzellen können Industrienähmaschinen verwendet werden.
Mit der hier vorgestellten Methode lassen sich sowohl reine Reihenschaltungen und Parallelschaltungen als auch eine Kombination als Reihen-Parallel-Schaltung von Dünnschichtsolarzellen erzeugen (4). Eine bevorzugte Anzahl von in Reihe geschalteten Dünnschichtsolarzellen beträgt 50 bis 200, ohne in irgendeiner Weise auf diese Zahl beschränkt zu sein. Prinzipiell ist das Vernähen hunderter Dünnschichtsolarzellen nach der erfindungsgemäßen Lösung technisch möglich.

Claims

Verfahren zum Herstellen von Verbünden flexibler Dünnschichtsolarzellen durch Verschalten einzelner Zellen oder Zellkomplexe, wobei diese Dünnschichtsolarzellen jeweils aus einem flexiblen Träger, einer auf dem Träger aufgebrachten Rückkontaktschicht, einer auf der Rückkontaktschicht aufgebrachten photoaktiven Schicht, einer auf der photoaktiven Schicht aufgebrachten Pufferschicht und einer auf der Pufferschicht aufgebrachten Frontkontaktschicht bestehen, wobei Front- und Rückkontaktschicht mit Sammelkontakten versehen sind, wobei zunächst alle Schichten der Dünnschichtsolarzellen einschließlich des Trägers durchstoßen werden, danach durch eine derart entstandene Offnung ein elektrisch leitfähiger Draht mit elektrisch isolierender Ummantelung geführt wird, dessen Ummantelung anschließend lokal abgetragen wird und nachfolgend mindestens ein abisolierter Abschnitt des Drahtes mit dem Sammelkontakt der Frontkontaktschicht einer Dünnschichtsolarzelle und mindestens ein anderer abisolierter Abschnitt desselben Drahtes mit dem Sammelkontakt der Rückkontaktschicht einer weiteren Dünnschichtsolarzelle elektrisch kontaktiert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchstoßen der Dünnschichtsolarzellen und das Einbringen des Drahtes in eine derart entstandene Öffnung durch Vernähen unter Verwendung einer Nadel erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vernähen kontinuierlich erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchstoßen der Dünnschichtsolarzellen und das Einbringen des Drahtes derart erfolgt, dass zunächst Löcher in Dünnschichtsolarzellen erzeugt und durch diese Löcher nachfolgend der Draht gefädelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschaltung parallel oder in Reihe erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchstoßen mechanisch erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchstoßen mit einem Laserstrahl erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Entfernen der Ummantelung mit einem Laserstrahl erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktierung zwischen den abisolierten Bereichen des Drahtes und den Sammelkontakten mit einem elektrisch leitfähigen Klebstoff erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass 50 bis 200 Zellen in Reihe geschaltet werden.