DE102011077696A1 - Solar cell arrangement and method for its production - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Solarzellenanordnung aus einer Mehrzahl von kristallinen Solarzellen (1'), die jeweils ein Halbleitersubstrat mit einer Aluminium-Kontaktfläche (7') aufweisen, wobei benachbarte Solarzellen (1') über Aluminium-Zellverbinder (9') miteinander verschaltet sind, welche auf Kontaktflächen der miteinander verbundenen Solarzellen (1') aufgeschweißt sind. Ferner wird ein Verfahren zu deren Herstellung beschrieben.The invention relates to a solar cell arrangement comprising a plurality of crystalline solar cells (1 '), each of which has a semiconductor substrate with an aluminum contact surface (7'), adjacent solar cells (1 ') being interconnected via aluminum cell connectors (9'), which are welded onto contact surfaces of the interconnected solar cells (1 '). A method for the production thereof is also described.
Description
Die Erfindung betrifft eine Solarzellenanordnung aus einer Mehrzahl von Solarzellen, die jeweils ein Halbleitersubstrat mit einer Kontaktfläche aufweisen, wobei benachbarte Solarzellen über Zellverbinder miteinander verschaltet sind, sowie ein Verfahren zu deren Herstellung.The invention relates to a solar cell arrangement comprising a plurality of solar cells, each having a semiconductor substrate with a contact surface, wherein adjacent solar cells are interconnected via cell connectors, and a method for their production.
Stand der TechnikState of the art
Zur direkten Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie sind heute Photovoltaik-Module auf der Basis ein- oder polykristalliner Solarzellen am weitesten verbreitet. Die aus Halbleiterwafern mit Standard-Abmessungen hergestellten Solarzellen sind zur Erzeugung technischer brauchbarer Spannungen und Stromstärken in geeigneter Weise miteinander verschaltet. Zu ihrer Verschaltung werden üblicherweise als Zellverbinder bandförmige Leiterabschnitte aus Metall, speziell Kupfer, eingesetzt. Zu deren Anschluss befinden sich auf den Solarzellen metallisierte Kontaktbereiche (Pads), auf denen mittels einer Weichlotverbindung eine stoffschlüssige Verbindung mit den Zellverbindern hergestellt wird. Das Laserschweißen von Solarzellen ist Gegenstand aktueller Forschungsprojekte.For the direct conversion of sunlight into electrical energy, photovoltaic modules based on monocrystalline or polycrystalline solar cells are most widespread today. The solar cells made of semiconductor wafers with standard dimensions are suitably interconnected to produce technically useful voltages and currents. For their interconnection usually band-shaped conductor sections made of metal, especially copper, are used as cell connectors. To their connection are located on the solar cells metallized contact areas (pads) on which by means of a soft solder connection, a material connection with the cell connectors is made. Laser welding of solar cells is the subject of current research projects.
Bei kristallinen Standard-Solarzellen befinden sich auf der Vorderseite Kontaktstellen in Form von Busbars aus Ag-Paste, an die die Zellverbinder kontaktiert werden. Auf der Rückseite befindet sich eine Metallisierung aus Al-Paste, auf die ebenfalls Busbars aus Ag-Paste für die Kontaktierung aufgebracht sind. Diese Anschlusstechnologie ist mittlerweile Gegenstand zahlreicher Weiterentwicklungen gewesen; vgl. etwa die
Neue Zellkonzepte sehen vor, die komplette Kontaktierung der Zellen auf die Rückseite zu verlegen, wobei dann ausschließlich Al-Siebdruckpaste bzw. gesputtertes Aluminium als Kontaktstellen verwendet werden sollen. Ziele bei der Entwicklung von Solarzellen sind die Steigerung des Wirkungsgrads und die Verringerung der Produktionskosten. Derzeit produzierte Solarzellen haben einen Wirkungsgrad von < 20%. Physikalisch ist ein Wirkungsgrad von bis zu 33% erreichbar. Eine Steigerung des Wirkungsgrads kann z. B. durch Vermeidung von Abschattungseffekten (wie bei Rückkontaktzellen) oder Verringerung der elektrischen Widerstände an den Kontaktstellen erreicht werden.New cell concepts envisage laying the complete contacting of the cells on the back, using exclusively Al screen printing paste or sputtered aluminum as contact points. Objectives in the development of solar cells are the increase in efficiency and the reduction of production costs. Currently produced solar cells have an efficiency of <20%. Physically, an efficiency of up to 33% can be achieved. An increase in the efficiency can, for. B. by avoiding shading effects (as in back contact cells) or reducing the electrical resistance at the contact points can be achieved.
Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention
Mit der Erfindung wird eine Solarzellenanordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Des Weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung einer solchen Solarzellenanordnung bereitgestellt. Zweckmäßige Fortbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.With the invention, a solar cell assembly with the features of
Die Erfindung schließt den Gedanken ein, ungeachtet der bekannten Vorteile von Kupfer als Material für elektrische Leiter von den üblichen Kupfer-Zellverbindern abzusehen und stattdessen die Zellverbinder aus einem anderen Material mit hinreichend guter Leitfähigkeit zu bilden, welches Kostenvorteile erbringt. Sie schließen weiter den Gedanken ein, eine auf das gewählte neue Material angepasste Art der Verbindung mit entsprechenden Kontaktflächen auf den Solarzellen zu wählen, wobei zugleich eine geeignete Materialauswahl für die Kontaktflächen selbst zu treffen ist. Des Weiteren gehört zur Erfindung der Gedanke, Aluminium-Zellverbinder einzusetzen und als besagtes geeignetes Verbindungsverfahren das Laserschweißen einzusetzen.The invention includes the consideration of ignoring the known advantages of copper as a material for electrical conductors from the conventional copper cell connectors and instead forming the cell connectors of another material with sufficiently good conductivity, which provides cost advantages. They further include the idea of choosing a type of connection with corresponding contact surfaces on the solar cells, adapted to the selected new material, while at the same time selecting a suitable choice of material for the contact surfaces themselves. Furthermore, the invention includes the idea of using aluminum cell connectors and to use laser welding as said suitable connection method.
Kostensenkungen bei der Modulherstellung ergeben sich mithin nicht nur durch den Ersatz von teuerem Kupfer durch wesentlich kostengünstigeres Aluminium, sondern auch aufgrund des Entfalls einer Silberpasten-Beschichtung auf der Zellenrückseite sowie eines Flussmittels und spezieller Siebdruckpasten.Cost savings in module production are therefore not only due to the replacement of expensive copper by much less expensive aluminum, but also due to the elimination of a silver paste coating on the back of the cell as well as a flux and special screen printing pastes.
Das Laserschweißen bietet den Vorteil, dass anstelle von Kupferverbindern günstigere Aluminiumverbinder eingesetzt werden können. Da Aluminium eine geringere elektrische Leitfähigkeit aufweist als Kupfer, müssen Zellverbinder aus Aluminium eine größere Querschnittsfläche aufweisen. Die elektrische Leitfähigkeit von Aluminium beträgt weniger als 60% derjenigen von Kupfer. Somit werden für gleiche elektrische Eigenschaften Zellverbinder aus Aluminium mit der 1,6-fachen Querschnittsfläche der Kupferverbinder benötigt. Je nach Geometrie der Kontaktfläche sind Dicken von 10 bis 30 μm für die Verbinder notwendig. Vorteilhaft für das Laserschweißen sind hierbei die etwa gleich dicken Kontaktpartner, so dass eine stabile und sehr gut elektrisch leitende Verbindung hergestellt werden kann.Laser welding offers the advantage that cheaper aluminum connectors can be used instead of copper connectors. Since aluminum has a lower electrical conductivity than copper, aluminum cell connectors must have a larger cross-sectional area. The electrical conductivity of aluminum is less than 60% of that of copper. Thus, for the same electrical properties, aluminum cell connectors with 1.6 times the cross-sectional area of the copper connectors are needed. Depending on the geometry of the contact surface, thicknesses of 10 to 30 μm are necessary for the connectors. Advantageous for the laser welding here are about the same thickness contact partners, so that a stable and very good electrically conductive connection can be made.
Bei einer Al-Al-Verbindung ist von großem Vorteil, dass keine Fremdatome das entstehende Eutektikum (Al-Si auf der Rückseite) der Solarzellen sowie das Silizium verunreinigen, da hierdurch der elektrische Wirkungsgrad sinkt. Eine solche Al-Al-Verbindung ist in einem Lötverfahren nicht herstellbar. Laserschweißen ermöglicht durch den Entfall von lötfähigen Ag-Busbars eine 100%-ige Al-Bedeckung der Solarzellenrückseite als Quelle zur Erzeugung einer elektrisch passivierenden Rückseitendiffusion. Dadurch steigt die Zelleffizienz.In the case of an Al-Al compound, it is of great advantage that no foreign atoms contaminate the eutectic (Al-Si on the rear side) of the solar cells and also the silicon, since this reduces the electrical efficiency. Such an Al-Al compound can not be produced in a soldering process. By eliminating solderable Ag busbars, laser welding enables 100% Al coverage of the back of the solar cell as a source to create electrically passivating backside diffusion. This increases the cell efficiency.
Der Verzicht auf zusätzliche Hilfsstoffe wie z. B. Flussmittel, verringert die Gefahr, dass nicht abreagierte chemische Substanzen während des Modullaminiervorgangs sichtbare Blasen bilden oder während der Alterung im Feld mit den Laminatmaterialien reagieren und dadurch das Modul schädigen. Für eine Laserschweißverbindung werden im Gegensatz zum Löten keine Zusatzwerkstoffe benötigt. Ag-Paste auf der rückseitigen Metallisierung aus Aluminium wird nicht benötigt, da direkt auf der Metallisierung kontaktiert werden kann. Des Weiteren ist keine Beschichtung (Verzinnung, ...) des Aluminiums zum Schweißen notwendig.The waiver of additional auxiliaries such. As flux, reduces the risk that unreacted chemical substances during the module lamination process form visible bubbles or react during aging in the field with the laminate materials and thereby damage the module. For a laser welding connection, in contrast to soldering, no additional materials are needed. Ag paste on the aluminum backside metallization is not needed because it can be contacted directly on the metallization. Furthermore, no coating (tinning, ...) of the aluminum is necessary for welding.
Zusätzlich ist der Laserschweißprozess im Vergleich zum Löten schneller und ermöglicht so eine Reduzierung der Taktzeit beim Aufbau von Strings.In addition, the laser welding process is faster compared to soldering, thus reducing the cycle time needed to build strings.
Zur möglichst weitgehenden Erzielung der oben angegebenen, vorteilhaften Wirkungen ist in einer Ausführung vorgesehen, dass die Solarzellen jeweils ein als Basis wirkendes Halbleitersubstrat eines ersten Dotierungstyps und als Emitter wirkende Dotierungsbereiche eines zweiten Dotierungstyps aufweisen und auf Emitterbereichen ausgebildete Aluminium-Kontaktflächen durch die Aluminium-Zellverbinder verbunden sind.To achieve as far as possible the advantageous effects mentioned above, it is provided in one embodiment that the solar cells each have a semiconductor substrate of a first doping type acting as a base and doping regions of a second doping type acting as an emitter and aluminum contact surfaces formed on emitter areas being connected by the aluminum cell connectors are.
Vorteilhaft ist die Erfindung insbesondere auch bei Solarzellenkonfigurationen, bei denen die Aluminium-Zellverbinder rückseitige Kontaktflächen der benachbarten Solarzellen miteinander verbinden. Hierbei können insbesondere die rückseitigen Hauptoberflächen der Halbleitersubstrate vollflächig passiviert sein.The invention is particularly advantageous also in solar cell configurations in which the aluminum cell connectors connect back-to-back contact surfaces of the adjacent solar cells with one another. In this case, in particular the back-side main surfaces of the semiconductor substrates can be passivated over the whole area.
Vorteile für die Durchführung des Schweißprozesses und die Haltbarkeit der Schweißverbindungen ergeben sich im speziellen, wenn die Aluminium-Kontaktflächen ebenso wie die Aluminium-Zellverbinder eine Dicke im Bereich zwischen 10 bis 150 μm, insbesondere zwischen 15 und 50 μm, haben.Advantages for carrying out the welding process and the durability of the welded joints arise in particular when the aluminum contact surfaces as well as the aluminum cell connectors have a thickness in the range between 10 to 150 .mu.m, in particular between 15 and 50 microns.
Anders als bei bekannten Anschlusskonzepten, bei denen beschichtete oder in sonstiger Weise mehrkomponentige Zellverbinder zum Einsatz gelangen, ist die Erfindung vorteilhaft mit allseitig unbeschichteten Aluminium-Zellverbindern ausführbar, die besonders kostengünstig sind.Unlike in the case of known connection concepts in which coated or otherwise multicomponent cell connectors are used, the invention can be advantageously carried out with aluminum cell connectors which are uncoated on all sides and which are particularly cost-effective.
Die Passivierung der Solarzellen-Rückseiten lässt sich hiermit elegant und ohne Einsatz zusätzlicher Hilfsschritte und -stoffe in den Modulverbindungsprozess einbinden.The passivation of the solar cell backsides can be integrated into the module connection process elegantly and without the need for additional auxiliary steps and materials.
Zeichnungendrawings
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Gegenstände werden durch die Zeichnungen veranschaulicht und in der nachfolgenden Beschreibung erläutert. Es zeigen:Further advantages and advantageous embodiments of the subject invention are illustrated by the drawings and explained in the following description. Show it:
Im Rahmen fachmännischen Handelns ergeben sich weitere Ausgestaltungen und Ausführungsformen des hier nur beispielhaft beschriebenen Verfahrens und der Vorrichtung.Within the scope of expert action, further refinements and embodiments of the method and apparatus described here by way of example only arise.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SOLARWORLD INDUSTRIES THUERINGEN GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: ROBERT BOSCH GMBH, 70469 STUTTGART, DE Effective date: 20140724 Owner name: SOLARWORLD INDUSTRIES GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: ROBERT BOSCH GMBH, 70469 STUTTGART, DE Effective date: 20140724 |
|
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: ISARPATENT PATENT- UND RECHTSANWAELTE, DE Effective date: 20140724 |
|
| R012 | Request for examination validly filed | ||
| R012 | Request for examination validly filed |
Effective date: 20150330 |
|
| R081 | Change of applicant/patentee |
Owner name: SOLARWORLD INDUSTRIES GMBH, DE Free format text: FORMER OWNER: SOLARWORLD INDUSTRIES THUERINGEN GMBH, 99310 ARNSTADT, DE |
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| R082 | Change of representative |
Representative=s name: ISARPATENT - PATENT- UND RECHTSANWAELTE BEHNIS, DE Representative=s name: ISARPATENT PATENT- UND RECHTSANWAELTE, DE |
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| R082 | Change of representative |
Representative=s name: ISARPATENT - PATENT- UND RECHTSANWAELTE BEHNIS, DE Representative=s name: ISARPATENT - PATENT- UND RECHTSANWAELTE BARTH , DE |
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| R002 | Refusal decision in examination/registration proceedings | ||
| R003 | Refusal decision now final | ||
| R082 | Change of representative |
Representative=s name: ISARPATENT - PATENT- UND RECHTSANWAELTE BARTH , DE |