EP2449602A2 - Verfahren zum freilegen eines elektrischen kontakts - Google Patents

Verfahren zum freilegen eines elektrischen kontakts

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EP2449602A2
EP2449602A2 EP10726125A EP10726125A EP2449602A2 EP 2449602 A2 EP2449602 A2 EP 2449602A2 EP 10726125 A EP10726125 A EP 10726125A EP 10726125 A EP10726125 A EP 10726125A EP 2449602 A2 EP2449602 A2 EP 2449602A2
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EP
European Patent Office
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contact
laser
layer
laser beam
electrical contact
Prior art date
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Ceased
Application number
EP10726125A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Axel Heinrici
Günter Neumann
Lars-Soeren Ott
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Reis Group Holding GmbH and Co KG
Original Assignee
Reis Group Holding GmbH and Co KG
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Publication date
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Priority claimed from DE102009044022A external-priority patent/DE102009044022A1/de
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    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to a method for exposing at least one electrical contact of a solar cell or a solar cell module covered by at least one layer, preferably made of plastic.
  • DE-B-199 64 443 discloses a device for removing layers on a workpiece by means of a laser beam, which has a trapezoidal beam profile on the surface to be machined. Also suitable as a workpiece are thin-film solar cells in which layers lying over the contact surface of the backside electrode are selectively removed.
  • a laser a pulsed laser of the type Nd: YAG is used, which is operated by the method of quality modulation with pulse durations in the range of 25 ⁇ s.
  • EP-A-0 649 045 is a method for repairing interruptions of a liquid crystal substrate.
  • a medium is applied to the interrupted area and melted by laser to repair the connection.
  • JP-A-2004 066 344 discloses a device for observing areas which are repaired by means of laser radiation.
  • DE-A-103 13 521 provides that the burrs are removed by means of laser radiation.
  • the corresponding areas are detected by an image recognition and processing system.
  • CO 2 laser holes are formed according to EP-A-0 884 128 in a plastic layer to allow connections to a printed circuit.
  • Faulty electrical connections not only cause the efficiency of the modules is deteriorated, but there is a risk due to so-called hot spots that heat generation that can trigger a fire.
  • the present invention is u. a. the object of developing a method of the type mentioned in such a way that in an automated workflow, a targeted and reproducible exposure of an electrical contact is made possible to allow in particular in subsequent processing a desired electrically conductive connection to terminals. At the same time it should be ensured that when exposing the electrical contact damage to the contact otherwise surrounding material is avoided.
  • a plurality of electrical contacts covered by at least one layer made of plastic are to be exposed in defined areas in order to simultaneously be able to automatically connect them to further contacts.
  • the possibility should be created to connect a solar cell module in an automated workflow with a junction box.
  • the invention essentially provides
  • the removal of the layer in a region whose projection lies in the direction of the contact within it means that the region of the layer immediately adjacent to the contact lies within or essentially within the projection in the direction of the contact. In the surface region of the layer to be removed, however, it is possible to remove a region which is also located outside the projection in the direction of the contact, so that the result is a funnel-shaped exposure. This is advantageous for the contact to be made or in the event that a contact is to be repaired.
  • the feature "essentially within the contact” is intended to express that the invention will not be abandoned even if layer material is removed in the immediate area of the contact, which is present laterally next to the contact used laser radiation is not coupled into the glass, which extends over the solar cells to be interconnected and light radiation entrance side.
  • the invention is also distinguished in particular by the fact that, starting from the surface of the at least one layer to be removed, material is removed in the direction of the contact such that a funnel-shaped opening results in the at least one layer, whereby projection of the opening in the region of the surface in FIG Area of the contact outside of this region and projection of the contact abutting opening is located within or substantially within the contact.
  • the invention also includes, in particular, that the laser beam directly above the contact removes a region of the layer whose projection lies in the direction of the contact exclusively within the contact.
  • a plurality of electrical contacts in the form of cross connectors of a laminated solar cell module are exposed and connected to contacts of a junction box, the cross connector solar cell module back side are covered by a transparent plastic layer and a plastic film and the plastic layer and the plastic film are removed by means of the laser beam.
  • the invention provides that the electrical contact is a faulty contact, which is repaired or renewed after the removal of the at least one layer.
  • the position of the at least one electrical contact is determined by means of a sensor and that taking into account the determined position of the electrical contact corresponding to a stored in a control of a laser scanner pattern, the at least one layer of plastic in one flat area is removed, the projection is in the direction of the contact within this.
  • a method of laser-based removal of at least one plastic layer wherein an automation is provided which leads to reproducible results and at the same time ensures that the at least one electrical contact is exposed exclusively in the region in which one contact with another Contact should be made.
  • the cross-linking tapes are exposed only after lamination, whereby the films are not partially opened before lamination and threaded through this the Querverscensb. This prevents liquefied EVA material from leaking out of the open area, contaminating and damaging the laminator membrane.
  • an optical sensor with image processing is used as the sensor, so that the data determined by the transmitted light method transmits the position of the at least one electrical contact to the controller of the laser scanner and this or the areas in the electrical contact according to the pattern stored in the controller can expose.
  • It can be used as a laser scanner such with a two-axis scanning system with preferably planar field optics or a three-axis scanning system with fixed focal length.
  • Pattern here means or includes how the laser beam is moved to the contact to be exposed or repaired.
  • the pattern may also include laser power, the width of the laser beam incident on the ablated layer, or other parameters required for the application of the laser radiation.
  • a CC laser system is preferably used. This can be either a cw laser used or a pulsed laser system. In the latter case, it is preferable to operate with a pulse frequency greater than 5 kHz, in particular greater than 10 kHz, so that a quasi-continuous operation results.
  • the maximum process speed depends directly on the laser power.
  • the laser beam should extend over the region to be removed at a speed between 200 mm / sec and 7500 mm / sec, in particular between 2000 mm / sec and 4000 mm / sec, preferably between 3300 mm / sec and 3700 mm / sec, to be moved.
  • a favorable range is in particular between 3300 mm / sec and 4500 mm / sec.
  • the direction of movement of the laser beam itself can be arbitrary. Preferably, however, a meandering or zigzag-shaped movement can be performed. This results in the advantage that the areas are applied uniformly with the laser beam, so that unwanted heat generation are excluded, which could lead to damage.
  • the energy of the laser beam should be adjusted so that the area to be removed several times, in particular two to five times traversed, whereby a particularly gentle sublimation, ie evaporation of the existing plastic layer takes place without damaging the electrical contact or to given these running areas.
  • a reproducible removal results even when the laser beam along parallel lines over the surface to be removed is moved, wherein the distance between the lines should be smaller than the imaged onto the surface focus diameter of the laser beam.
  • the laser beam itself should be imaged punctiform on the surface to be ablated with a diameter of between 0.3 mm and 1.2 mm, in particular between see 0.4 mm and 0.8 mm. If a smaller focus is used, a higher process speed can be achieved.
  • the laser In order to achieve an economic removal rate, the laser should be operated at least with a power P of 100 watts ⁇ P ⁇ 1000 watts. Higher powers are possible and allow higher process speeds, but require significantly higher investment costs.
  • the optical sensor for image processing for detecting the position of the electrical contact should run with respect to the laser scanner on the opposite side, which can be measured by transmitted light method.
  • the invention is characterized by a method for exposing to be connected to contact a junction box cross connectors of a laminated solar cell module, the cross connector solar cell module back side of a transparent plastic layer of ethylene vinyl acetate (EVA) or silicone rubber and a plastic film are covered, preferably polyvinyl and polyester contains.
  • EVA ethylene vinyl acetate
  • the inventive method is not only suitable for exposing contacts to connect them with contacts of a junction box.
  • the uncovering of at least one cell or string connector to be connected cross-connector of a laminated solar cell module is possible due to the teaching of the invention.
  • the method according to the invention is extremely suitable for exposing areas of electrical contacts, such as cross connectors of photovoltaic modules, in a laser-based manner, ie, for example.
  • B. subsequently introduce recesses after lamination, then to allow automatic connection with external contacts such as the contacts of a junction box or to repair or renew faulty contacts.
  • an automation is carried out such that by means of z.
  • an image processing or other suitable sensor detects the position of the electrical contacts, the position data supplied to the control of a laser scanner and then in Depending on a stored pattern of the laser beam is passed over the electrical contacts, so that the covering these layers are removed by evaporation.
  • the laser beam can be controlled in such a way that exclusively or essentially exclusively areas above the electrical contact are exposed, so that damage to further areas and, in particular, an energy input outside the electrical contact can not take place to an extent that could lead to the the solar cell module on the front side covering glass jumps.
  • the or the exposed areas are adhesively bonded by means of soldering, such as laser, induction or contact soldering.
  • the solar cell module is fed to a processing station, placed in the means of a handling device on the exposed areas of the cross connector, the contacts of the junction box and these are then positively and / or materially connected to the exposed areas.
  • the processing station can also be the one in which the contacts are exposed.
  • soldering such as laser, induction or contact soldering material.
  • the junction box is then connected to the solar cell module, preferably by means of silicone or adhesive tape.
  • the position of the solar cell module with the exposed areas detected by means of image processing and thus obtained data control of the handling device.
  • the position detection can be omitted if the exposure of the cross connector and setting the junction box in the same processing station done.
  • 1 is a schematic representation of an arrangement for removing a plastic layer covering an electrical contact
  • Fig. 5 is a schematic diagram of an interconnection of cross connectors of a
  • FIG. 6 shows the arrangement according to FIG. 5 in a side view
  • FIG. 7 shows a first embodiment of a contact of a junction box with a cross connector
  • FIG. 8 shows a second embodiment of a contact of a junction box with a cross connector
  • 9 is a schematic representation of another arrangement for removing a plastic layer covering an electrical contact
  • FIGS. 1 to 8 the teaching according to the invention for exposing at least one electrically conductive contact, which is covered by at least one layer consisting of plastic, is described on the basis of a solar cell module without the teaching of the invention being restricted thereby.
  • the same reference numerals are used in the figures for the same elements in principle.
  • FIG. 1 an arrangement is shown purely in principle, with a cross connector 10 of a solar cell module 12 is exposed, then to be electrically connected to terminal contacts of a contact socket.
  • a laser scanner 14 is provided which, in addition to a laser emitting laser such as CO 2 laser deflection mirror and optics to move the laser beam 16 over a desired region of the solar cell module 12 to remove the cross connector 10 covering layers 18, 20 by evaporation , It is a laser scanner used, the structure and operation of which are well known to one of ordinary skill in the art.
  • a laser emitting laser such as CO 2 laser deflection mirror and optics to move the laser beam 16 over a desired region of the solar cell module 12 to remove the cross connector 10 covering layers 18, 20 by evaporation
  • the solar cell module 12 is in the layers 18, 20 to a transverse connector side extending transparent plastic layer of z.
  • a transverse connector side extending transparent plastic layer of z For example, ethylene vinyl acetate (EVA) or silicone rubber and these outside covering weatherproof plastic composite film of particular polyvinyl fluoride and polyester.
  • EVA ethylene vinyl acetate
  • silicone rubber and these outside covering weatherproof plastic composite film of particular polyvinyl fluoride and polyester.
  • the lamination of the module takes place in particular at temperatures of about 150 ° C. and under reduced pressure.
  • the initially milky transparent plastic layers EVA or silicone rubber
  • the initially milky transparent plastic layers immediately surrounding the solar cell form a clear plastic layer, in which the solar cells are embedded and fixedly connected to the glass pane or backsheet.
  • the laser beam 16 is moved in the areas 26 to be exposed according to a predetermined pattern, which is stored in the control of the laser scanner 14.
  • a predetermined pattern which is stored in the control of the laser scanner 14.
  • an energy input takes place to such an extent that the layers 18, 20 extending above the cross connector 10 evaporate without any damage to the environment, that is to say of the adjacent region of the solar cell module 12.
  • the laser beam 16 adjacent to the cross connector 26 impinges on the layers 18, 20 in an amount that can be coupled into the glass plate 24 with the consequence that it bursts.
  • the movement of the laser beam 16 can take place in a meandering or zigzag-shaped or linear manner along parallel straight lines. However, it is essential that a uniform removal, ie a uniform evaporation of the layers 18, 20 above the cross connector 26 takes place. Therefore, in the event that the or the mirror of the laser scanner 14 are stopped, a turn-on delay for the laser is provided.
  • the distance of the laser lines can be varied, whereby an overlap of the laser lines takes place.
  • the laser can be moved over the area to be removed such that the distance between the laser lines is in the range between 0.05 mm and 0.2 mm, preferably in the range between 0.1 mm and 0.2 mm.
  • a sufficient overlap is given because the diameter of the focus is greater than 0.1 mm, in particular in the range between 0.4 mm and 1.0 mm.
  • the laser system preferably has a CO 2 laser with a two-axis scanning system.
  • a corresponding planar field optics is provided.
  • it can also find a three-axis scanning system with fixed focal length use.
  • the CO 2 laser should work with a maximum duty cycle of 50%, the pulse widths should be between 10 ⁇ / sec and 400 ⁇ / sec.
  • the speed with which the laser beam travels over the area to be removed should be in the range between 1000 mm / sec and 4000 mm / sec, with particularly uniform results being achievable if the area to be removed is run over several times by the laser beam.
  • Speed, laser power and pulse frequency should therefore be tuned in such a way that it is possible to drive over it two to three times. More preferably, a quasi-continuous operation should be set, so that pulse frequencies of more than 10 kHz are to be preferred.
  • the surface removal rate between 75 mm 2 / sec and 225 mm 2 / sec with a thickness of the layers 18, 20 to be removed is between 0.5 mm and 1 mm.
  • connection contacts 28 of a junction box 30 are intended to illustrate that corresponding according to the invention exposed cross-connector 10 of the solar cell module 12 are then contacted with connection contacts 28 of a junction box 30, in turn, with the solar cell module, ie, the laminate z. B. is connected with silicone or tape. This should be pure are illustrated in principle by the marked with the reference numeral 32 border in Fig. 6.
  • the solar cell module 12 is measured with the exposed cross connectors 10, then to supply the position data of the controller of a handling device by means of the junction box 30 with exact position their contacts 28 is aligned with the cross connector 10, then to make the required electrical contact.
  • the cross connector 10 is connected to the terminal contact 28 of the junction box 30 fabric conclusive. This is done in particular by laser or induction soldering.
  • the terminal contact 28 is made with the cross connector 10 alternatively via a spring contact 34.
  • other types of connection are also possible.
  • the layers 18, 20 are uncovered on the back side in several areas, specifically wherever transverse connectors extend, which are then to be electrically conductively connected to the connection box with a connection contact.
  • FIG. 3 four corresponding uncovered regions 26 of cross connectors 10 are shown by way of example.
  • FIGS. 3 and 4 once again the basic structure of a solar cell module.
  • the corresponding layer structure can be seen in detail in FIG. 4.
  • the solar cell module 12 is viewed from the back, so that the first layer, the weatherproof plastic composite film of z.
  • the weatherproof plastic composite film of z As polyvinyl fluoride and polyester (layer 20), below from z. B. ethylene vinyl acetate or silicone rubber existing layer 18, purely in principle solar cells 36, another consisting of transparent plastic layer 38 of z. B. ethylene vinyl acetate or silicone rubber and Finally, a front glass layer 40 can be seen. Of the series-connected or parallel solar cells 36 then go from the cross connector 10, which are connected to the contacts 28 of the junction box 30.
  • a reproducible fully automatic exposure of the cross connector 10, without damaging the adjacent areas of the solar cell module 12 takes place.
  • An identical funnel-shaped or in section trapezoidal exposure can also be performed when z. B. contacts to be repaired, as will be explained in connection with FIGS. 9 and 10.
  • FIGS. 9 and 10 A further aspect of the teaching according to the invention will be explained with reference to FIGS. 9 and 10, on the basis of which faulty electrical contact can be repaired or renewed.
  • the teaching is also explained with reference to a solar cell module, without thereby the fiction, contemporary teaching should be limited.
  • the same reference numerals are used in principle for the same elements.
  • FIG. 9 an arrangement is shown purely in principle, with which an electrical contact between a cross connector 110 and a cell or string connector 112 of a solar cell module 114 is exposed, then to connect them again electrically conductive.
  • a laser scanner 116 is used, which in addition to a laser emitting laser, such as CO 2 laser, deflection mirror and optics to move the laser beam 118 over a desired area of the solar cell module 114 to the cross connector 110 and the cell connector 112th Covering layers 120, 122 to remove by evaporation.
  • a laser scanner used, the structure and operation of which are well known to one of ordinary skill in the art.
  • the layers 120, 122 are a transparent plastic layer, which extends from the transverse connector side and consists of, for example, a plastic layer.
  • EVA ethylene vinyl acetate
  • silicone rubber these outside covering weatherproof plastic composite film made in particular Polyvi- nylfluorid (TEDLAR) and polyester.
  • Ethylene vinyl acetate or silicone rubber labeled 124.
  • the corresponding unit is arranged on a glass plate 126 or other transparent carrier.
  • the interconnected solar cells themselves are not shown, which are located between the layers 120 and 124.
  • the module is checked to determine which electrical or which electrical contact is faulty or is defective. This can be done with an image processing as a sensor. But also by means of temperature sensors faulty contact points can be detected.
  • the laser beam 118 is moved in accordance with a predetermined pattern, which is stored in the control of the laser scanner 116, via the area or areas to be exposed. In this case, an energy input takes place to such an extent that the layers 120, 122 extending above the cross connector 110 and the string connector 112 or vaporize.
  • Pattern means or includes how the laser beam is moved to the contact to be repaired or which laser power is used. Also width the laser beam impinging on the layer to be removed or other parameters required for the application of the laser radiation may include the term pattern.
  • the laser beam can impinge on the layers 120, 122 outside of the contact to be repaired to such an extent that a coupling into the glass plate 126 takes place.
  • This can be z. B. done by a template or an applied clearance contour.
  • Uncovered contour means that the layer or layers which cover the contact to be repaired are covered in the areas to which the laser beam should not impinge. It releases the areas where you want to remove it to repair the contact.
  • the movement of the laser beam 118 can take place-as explained above-in meandering or zigzagging or linear fashion along parallel straight lines. However, it is essential that a uniform removal, ie a uniform evaporation of the layers 120, 122 takes place above the contact point. Therefore, in the event that the mirror or mirrors of the laser scanner 116 are stopped, a turn-on delay for the laser is provided.
  • a laser-based removal of the back-side layers 120, 122 of the laminated solar cell module 114 takes place in the regions in which electrical components are present. clock connections to be repaired. In this case, a reproducible fully automatic exposure of the contact point.
  • the laser beam 118 acts exclusively on the regions of the layers 118, 120 to be removed which run above the contact point. A coupling of the laser radiation in the adjacent areas and thus in the glass 126 is excluded, which could otherwise shatter. The contact point is thereby exposed to an extent that a secure cohesive bonding between the cross connector 110 and the or the cell or string connectors 112 takes place.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Freilegen zumindest eines von zumindest einer aus Kunststoff bestehenden Schicht abgedeckten elektrischen Kontakts mittels eines Laserstrahls. Um in einem automatisierten Arbeitsablauf ein gezieltes und reproduzierbares Freilegen des elektrischen Kontakts zu ermöglichen, wird vorgeschlagen, dass die Lage des zumindest einen elektrischen Kontakts mittels eines Sensors ermittelt wird und dass unter Berücksichtigung der ermittelten Lage des elektrischen Kontakts entsprechend eines in einer Steuerung eines Laserscanners abgelegten Musters die zumindest eine Schicht aus Kunststoff in einem flächigen Bereich abgetragen wird, dessen Projektion in Richtung des Kontakts innerhalb von diesem liegt.

Description

Verfahren zum Freilegen eines elektrischen Kontakts
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Freilegen von zumindest einem von zumindest einer vorzugsweise aus Kunststoff bestehenden Schicht abgedeckten elektrischen Kontakt einer Solarzelle oder eines Solarzellenmoduls.
Der DE-B- 199 64 443 ist eine Vorrichtung zum Abtragen von Schichten auf einem Werkstück mittels eines Laserstrahls zu entnehmen, der auf der zu bearbeitenden Oberfläche ein trapezförmiges Strahlprofil aufweist. Als Werkstück kommen auch Dünnschichtsolarzellen in Frage, bei denen zur Kontaktierung der Rückseitenelektrode darü- berliegende Schichten selektiv entfernt werden. Als Laser wird ein gepulster Laser vom Typ Nd: YAG benutzt, der mit der Methode der Gütemodulation mit Pulsdauern im Bereich von 25 μ s betrieben wird.
Aus der DE-A-10 2007 011 749 ist ein Verfahren zum Herstellen einer Solarzelle bekannt, bei dem eine transparente Dielektrikumschicht mittels eines Ultraschallkurzpulslasers lokal entfernt wird.
Um eine Durchbrechung in einer aus einem Polymer bestehenden dielektrischen Schicht zum Freilegen eines elektrischen Kontaktes herzustellen, wird nach der EP-A-O 388 009 eine Laserstrahlung benutzt. Aus der US-A-5,480,812 (EP-B-O 685 113) ist ein Verfahren zur Reparatur einer Leitung eines Dünnfilm-Bildsensors bekannt. Dabei kann eine nichtleitende Schicht im Reparaturbereich mittels eines Lasers abgetragen werden.
Gegenstand der EP-A-O 649 045 ist ein Verfahren zum Reparieren von Unterbrechungen eines Flüssigkeitskristallsubstrats. Hierzu wird ein Medium auf den unterbrochenen Bereich aufgetragen und mittels Lasers aufgeschmolzen, um die Verbindung zu reparieren.
Um Oberflächen von z. B. Werkstücken zu behandeln, erfolgt nach der DE-A- 199 00 910 ein Abtrag der Oberflächen mittels einer Laserstrahlung.
Der JP-A-2004 066 344 ist eine Vorrichtung zum Beobachten von Bereichen zu entnehmen, die mittels Laserstrahlung repariert werden.
Um Grate an Gehäuseseiten zu entfernen, damit elektronische Bauelemente freigelegt werden, sieht die DE-A- 103 13 521 vor, dass die Grate mittels Laserstrahlung entfernt werden. Die entsprechenden Bereiche werden mit einem Bilderkennungs- und Verarbeitungssystem erfasst.
Mittels eines CO2-Lasers werden nach der EP-A- 0 884 128 in einer aus Kunststoff bestehenden Schicht Löcher ausgebildet, um Verbindungen zu einer gedruckten Schaltung zu ermöglichen.
Bei der Produktion von Photovoltaikmodulen ist es nach dem Stand der Technik erforderlich, die Verschaltungsbändchen oder Querverbinder zur Außenkontaktierung vor dem Laminieren der Module aus der die Rückseite abdeckenden transparenten Kunststoffschicht, die aus Ethylenvinylacetat (EVA) oder Silikongummi bestehen kann, aus- zufädeln, um die Bändchen mit den Anschlüssen einer Kontaktdose zu verbinden. Die benötigten Aussparungen in der Kunststoffschicht sowie der dieser rückseitig abdeckenden Kunststoffverbundfolie z. B. aus Polyvinylfluorid und Polyester werden zum Beispiel durch Stanzen ausgebildet. Allerdings ist für das Ausfädeln der Querverbinder ein zusätzlicher, meist manueller Eingriff vor dem Laminieren erforderlich.
Fehlerhafte elektrische Verbindungen führen nicht nur dazu, dass der Wirkungsgrad der Module verschlechtert wird, sondern es besteht aufgrund sogenannter Hot Spots die Gefahr, dass eine Wärmeentwicklung entsteht, die einen Brand auslösen kann.
Wird während der Produktion festgestellt, dass eine ordnungsgemäße Verschaltung zwischen den einzelnen Strings des Moduls nicht erfolgt ist, so wird dieses ausgemustert.
Der vorliegenden Erfindung liegt u. a. die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs genannten Art so weiterzubilden, dass in einem automatisierten Arbeitsablauf ein gezieltes und reproduzierbares Freilegen eines elektrischen Kontakts ermöglicht wird, um insbesondere bei nachfolgenden Prozessierungen eine gewünschte elektrisch leitende Verbindung zu Anschlüssen zu ermöglichen. Gleichzeitig soll sichergestellt sein, dass beim Freilegen des elektrischen Kontakts eine Beschädigung des den Kontakt ansonsten umgebenden Materials vermieden wird. Nach einem weiteren Aspekt sollen von zumindest einer aus Kunststoff bestehenden Schicht abgedeckte mehrere elektrische Kontakte in definierten Bereichen freigelegt werden, um diese gleichzeitig automatisiert mit weiteren Kontakten verbinden zu können. Insbesondere soll auch die Möglichkeit geschaffen werden, ein Solarzellenmodul in einem automatisierten Arbeitsablauf mit einer Anschlussdose zu verschalten.
Auch ist ein Aspekt der Erfindung, dass mit einfachen Maßnahmen ein Reparieren von fehlerhaften elektrischen Kontakten ermöglicht wird, so dass insbesondere fehlerhafte Solarzellenmodule weiter- bzw. wiederverwendet werden können.
Zur Lösung der Aufgabe bzw. Aspekte sieht die Erfindung im Wesentlichen vor,
Ermitteln der Lage des zumindest einen Kontakts mittels eines Sensors, Abtragen der zumindest einen Schicht mittels eines Laserstrahls eines Laserscanners unter Berücksichtigung der ermittelten Lage und ein in einer Steuerung des Laserscanners abgelegten Musters, wobei die zumindest eine Schicht in einem flächigen Bereich abgetragen wird, dessen Projektion in Richtung des Kontakts innerhalb oder im Wesentlichen innerhalb von diesem liegt.
Das Abtragen der Schicht in einem Bereich, dessen Projektion in Richtung des Kontakts innerhalb von diesem liegt, bedeutet dabei, dass der Bereich der Schicht, der unmittelbar an den Kontakt angrenzt, innerhalb oder im Wesentlichen innerhalb der Projektion in Richtung des Kontakts liegt. Im Oberflächenbereich der abzutragenden Schicht kann jedoch ein Bereich entfernt werden, der auch außerhalb der Projektion in Richtung des Kontaktes liegt, so dass sich dem Grunde nach ein trichterförmiges Freilegen ergibt. Dies ist von Vorteil für das vorzunehmende Kontaktieren bzw. für den Fall, dass ein Kontakt zu reparieren ist.
Das Merkmal„im Wesentlichen innerhalb des Kontakts" soll zum Ausdruck bringen, dass die Erfindung auch dann nicht verlassen wird, wenn im unmittelbaren Bereich des Kontakts auch Schichtmaterial abgetragen wird, das seitlich neben dem Kontakt vorhanden ist. Allerdings ist sicherzustellen, dass die zum Abtragen verwendete Laserstrahlung sich nicht in die Glasscheibe einkoppelt, die sich über die zu verschaltenden Solarzellen erstreckt und lichtstrahlungseintrittsseitig verläuft.
Somit zeichnet sich die Erfindung insbesondere auch dadurch aus, dass von der Oberfläche der zumindest einen abzutragenden Schicht ausgehend in Richtung des Kontakts Material derart abgetragen wird, dass sich eine trichterförmige Öffnung in der zumindest einen Schicht ergibt, wobei Projektion der Öffnung im Bereich der Oberfläche in Richtung des Kontakts bereichsweise außerhalb von diesem und Projektion der auf den Kontakt stoßenden Öffnung innerhalb oder im Wesentlichen innerhalb des Kontakts liegt.
Die Erfindung schließt aber insbesondere auch ein, dass der Laserstrahl unmittelbar oberhalb des Kontakts einen Bereich der Schicht abträgt, dessen Projektion in Richtung des Kontakts ausschließlich innerhalb des Kontakts liegt. Insbesondere ist vorgesehen, dass mehrere elektrische Kontakte in Form von Querverbindern eines laminierten Solarzellenmoduls freigelegt und mit Kontakten einer Anschlussdose verbunden werden, wobei die Querverbinder solarzellenmodulrückseitig von einer transparenten Kunststoffschicht sowie einer Kunststofffolie abgedeckt sind und die Kunststoffschicht und die Kunststofffolie mittels des Laserstrahls abgetragen werden.
Des Weiteren sieht die Erfindung vor, dass der elektrische Kontakt ein fehlerhafter Kontakt ist, der nach dem Abtragen der zumindest einen Schicht repariert oder erneuert wird.
Zur Lösung eines Aspekts der Erfindung wird somit vorgeschlagen, dass die Lage des zumindest einen elektrischen Kontakts mittels eines Sensors ermittelt wird und dass unter Berücksichtigung der ermittelten Lage des elektrischen Kontakts entsprechend eines in einer Steuerung eines Laserscanners abgelegten Musters die zumindest eine Schicht aus Kunststoff in einem flächigen Bereich abgetragen wird, dessen Projektion in Richtung des Kontakts innerhalb von diesem liegt.
Zur Lösung der Aufgabe eines weiteren Aspekts werden im Wesentlichen die Verfahrensschritte vorgeschlagen:
Ermitteln der Lage des zu reparierenden Kontakts mittels eines Sensors, Abtragen der zumindest einen Schicht mittels eines Laserstrahls eines Laserscanners unter Berücksichtigung der ermittelten Lage und eines in einer Steuerung des Laserscanners abgelegten Musters, und
Reparieren oder Erneuern des elektrischen Kontakts.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren eines laserbasierten Abtragens von zumindest einer Kunststoffschicht vorgeschlagen, wobei eine Automatisierung gegeben ist, die zu reproduzierbaren Ergebnissen führt und gleichzeitig sicherstellt, dass der zumindest eine elektrische Kontakt ausschließlich in dem Bereich freigelegt wird, in dem eine Kontak- tierung zu einem weiteren Kontakt erfolgen soll. Zum Verschalten von Solarzellenmodulen, bei denen Kontakte freigelegt werden sollen, werden die Querverschaltungsbänder erst nach dem Laminieren freigelegt, wodurch die Folien vor dem Laminieren nicht teilweise geöffnet und durch diese die Querverschaltungsbänder ausgefädelt werden. Hierdurch wird vermieden, dass aus dem geöffneten Bereich verflüssigtes EVA-Material austritt und so die Membran des Laminators verschmutzt und beschädigt.
Als Sensor wird insbesondere ein optischer Sensor mit Bildverarbeitung benutzt, so dass die vorzugsweise im Durchlichtverfahren ermittelten Daten der Lage des zumindest einen elektrischen Kontakts an die Steuerung des Laserscanners übermittelt und dieser nach dem in der Steuerung abgelegten Muster den bzw. die Bereiche in dem elektrischen Kontakt freilegen kann. Dabei kann als Laserscanner ein solcher mit einem zwei-achsigen Scannsystem mit vorzugsweise Planfeldoptik oder ein drei-achsiges Scannsystem mit Festbrennweite verwendet werden.
Muster bedeutet dabei bzw. schließt ein, wie der Laserstrahl zu dem freizulegenden bzw. zu reparierenden Kontakt bewegt wird. Muster kann aber auch Laserleistung, Breite des auf die abzutragende Schicht auftreffenden Laserstrahls oder sonstige für die Applikation der Laserstrahlung erforderliche Parameter einschließen.
Aufgrund der Absorption und Transmissionseigenschaften der verwendeten Folienwerkstoffe wird vorzugsweise ein CCvLasersystem verwendet. Dabei kann entweder ein cw-Laser zum Einsatz kommen oder aber ein gepulstes Lasersystem. In letzterem Fall wird vorzugsweise mit einer Pulsfrequenz größer als 5 kHz, insbesondere größer als 10 kHz gearbeitet, so dass sich ein quasi-kontinuierlicher Betrieb ergibt.
Die maximale Prozessgeschwindigkeit ist direkt von der Laserleistung abhängig. Zum Abtragen der zumindest einen aus Kunststoff bestehenden Schicht sollte der Laserstrahl über den abzutragenden Bereich mit einer Geschwindigkeit zwischen 200 mm/sec und 7500 mm/sec, insbesondere zwischen 2000 mm/sec und 4000 mm/sec, vorzugsweise zwischen 3300 mm/sec und 3700 mm/sec, bewegt werden. Für eine Strahlquelle von 300 W liegt ein günstiger Bereich insbesondere zwischen 3300 mm/sec und 4500 mm/sec. Bei sehr hohen verfügbaren Laserleistungen sind jedoch auch höhere Prozessgeschwindigkeiten realisierbar
Die Bewegungsrichtung des Laserstrahls selbst kann beliebig sein. Vorzugsweise kann jedoch eine mäander- oder zickzackförmige Bewegung durchgeführt werden. Hierdurch ergibt sich der Vorteil, dass die Bereiche gleichmäßig mit dem Laserstrahl beaufschlagt werden, so dass unerwünschte Wärmebildungen ausgeschlossen sind, die zu Beschädigungen führen könnten.
Unabhängig hiervon sollte die Energie des Laserstrahls derart eingestellt werden, dass der abzutragende Bereich mehrfach, insbesondere zwei- bis fünfmal abgefahren wird, wodurch ein besonders schonendes Sublimieren, also Verdampfen der aus Kunststoff bestehenden Schicht erfolgt, ohne dass eine Beschädigung des elektrischen Kontakts oder der um diesen verlaufenden Bereiche gegeben ist.
Ein reproduzierbares Abtragen ergibt sich auch dann, wenn der Laserstrahl entlang parallel zueinander verlaufenden Linien über die abzutragende Fläche bewegt wird, wobei der Abstand zwischen den Linien kleiner als der auf die Fläche abgebildeten Fokusdurchmesser des Laserstrahls sein sollte.
Erfolgt eine Bewegung derart, dass im Randbereich eine Bewegungsumkehr bei gleichzeitigem Anhalten der den Laserstrahl führenden Spiegel des Laserscanners erfolgt, so wird der Laser im Umkehrpunkt ausgeschaltet, so dass eine unerwünschte Wärmeentwicklung vermieden wird. Brems-/Beschleunigungseffekte der Spiegel des Laserscanners machen sich in diesem Fall nicht bemerkbar, so dass ein gleichmäßiger, also homogener Abtrag gewährleistet ist.
Der Laserstrahl selbst sollte punktförmig auf die abzutragende Fläche mit einem Durchmesser abgebildet werden, der zwischen 0,3 mm und 1,2 mm, insbesondere zwi- sehen 0,4 mm und 0,8 mm liegt. Wird ein kleinerer Fokus benutzt, so ist eine höhere Prozessgeschwindigkeit erzielbar.
Um eine wirtschaftliche Abtragsrate zu erreichen sollte der Laser zumindest mit einer Leistung P von 100 Watt < P < 1000 Watt betrieben werden. Höhere Leistungen sind möglich und erlauben höhere Prozessgeschwindigkeiten, erfordern jedoch deutlich höhere Investitionskosten.
Der optische Sensor für die Bildverarbeitung zum Erfassen der Lage des elektrischen Kontakts sollte in Bezug auf den Laserscanner auf der gegenüberliegenden Seite verlaufen, wobei im Durchlichtverfahren gemessen werden kann.
Insbesondere zeichnet sich die Erfindung durch ein Verfahren zum Freilegen von mit Kontakt einer Anschlussdose zu verbindenden Querverbindern eines laminierten Solarzellenmoduls aus, wobei die Querverbinder solarzellenmodulrückseitig von einer transparenten Kunststoffschicht aus insbesondere Ethylenvinylacetat (EVA) oder Silikongummi sowie einer Kunststofffolie abgedeckt sind, die vorzugsweise Polyvinyl und Polyester enthält.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist nicht nur zum Freilegen von Kontakten geeignet, um diese mit Kontakten einer Anschlussdose zu verbinden. Auch das Freilegen von mit zumindest einem Zellen- oder Stringverbinder zu verbindenden Querverbinder eines laminierten Solarzellenmoduls ist aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre möglich.
Es hat sich gezeigt, dass das erfindungsgemäße Verfahren überaus geeignet ist, Bereiche von elektrischen Kontakten wie Querverbindern von Photovoltaikmodulen laserbasiert freizulegen, also z. B. nach dem Laminieren nachträglich Aussparungen einzubringen, um sodann ein automatisches Verbinden mit Außenkontakten wie den Kontakten einer Anschlussdose zu ermöglichen oder fehlerhafte Kontakte zu reparieren oder zu erneuern. Dabei erfolgt eine Automatisierung derart, dass mittels z. B. einer Bildverarbeitung oder eines sonstigen geeigneten Sensors die Lage der elektrischen Kontakte erfasst, die Positionsdaten der Steuerung eines Laserscanners zugeführt und sodann in Abhängigkeit von einem abgespeicherten Muster der Laserstrahl über die elektrischen Kontakte geführt wird, so dass die diese abdeckenden Schichten durch Verdampfen abgetragen werden.
Dabei kann der Laserstrahl derart gesteuert werden, dass ausschließlich oder im Wesentlichen ausschließlich Bereiche oberhalb des elektrischen Kontakts freigelegt werden, so dass eine Beschädigung weiterer Bereiche und insbesondere ein Energieeintrag außerhalb des elektrischen Kontakts nicht in einem Umfang erfolgen kann, der dazu führen könnte, dass das das Solarzellenmodul frontseitig abdeckende Glas springt.
Insbesondere ist vorgesehen, dass der bzw. die freigelegten Bereiche mittels Löten wie Laser-, Induktions- oder Kontaktlöten stoffschlüssig verbunden werden.
Im Falle des Freilegens von Querverbindern, um diese mit Kontakten einer Anschlussdose zu verbinden, ist in Weiterbildung vorgesehen, dass nach Freilegen der Querverbinder das Solarzellenmodul einer Bearbeitungsstation zugeführt wird, in der mittels einer Handhabungseinrichtung auf die freigelegten Bereiche der Querverbinder die Kontakte der Anschlussdose aufgelegt und diese sodann mit den freigelegten Bereichen kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden werden. Die Bearbeitungs Station kann dabei auch diejenige sein, in der die Kontakte freigelegt werden.
Insbesondere ist vorgesehen, dass die freigelegten Bereiche mittels Löten wie Laser-, Induktions- oder Kontaktlöten Stoff schlüssig verbunden werden.
Während des elektrisch leitenden Verbindens der freigelegten Bereiche mit den Kontakten oder danach wird sodann die Anschlussdose mit dem Solarzellenmodul vorzugsweise mittels Silikon oder Klebeband verbunden.
Um die Kontakte der Anschlussdose positionsgenau auf die freigelegten Bereiche der Querverbinder auszurichten, ist vorgesehen, dass Position des Solarzellenmoduls mit den freigelegten Bereichen mittels einer Bildverarbeitung erfasst und so gewonnene Daten der Steuerung der Handhabungseinrichtung übermittelt werden. Somit ist ein einwandfreier elektrischer Kontakt sichergestellt. Die Positionserfassung kann entfallen, wenn das Freilegen der Querverbinder und Setzen der Anschlussdose in der gleichen Bearbeitungs Station erfolgen.
Weitere Einzelheiten, Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich nicht nur aus den Ansprüchen, den diesen zu entnehmenden Merkmalen - für sich und/oder in Kombination-, sondern auch aus der nachfolgenden Beschreibung von der Zeichnung zu entnehmenden bevorzugten Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung einer Anordnung zum Abtragen von einer einen elektrischen Kontakt abdeckenden Kunststoffschicht,
Fig. 2 ein Detail„A" von Fig. 1,
Fig. 3 einen Ausschnitt eines Solarzellenmoduls,
Fig. 4 ein Detail„A" der Fig. 3,
Fig. 5 eine Prinzipdarstellung einer Verschaltung von Querverbindern eines
Solarzellenmoduls mit Kontakten einer Anschlussdose,
Fig. 6 die Anordnung gemäß Fig. 5 in Seitenansicht,
Fig. 7 eine erste Ausführungsform eines Kontakts einer Anschlussdose mit einem Querverbinder,
Fig. 8 eine zweite Ausführungsform eines Kontakts einer Anschlussdose mit einem Querverbinder, Fig. 9 eine Prinzipdarstellung einer weiteren Anordnung zum Abtragen von einer einen elektrischen Kontakt abdeckenden Kunststoffschicht und
Fig. 10 ein Detail„A" von Fig. 9.
In den Fig. 1 bis 8 wird die erfindungsgemäße Lehre zum Freilegen zumindest eines elektrisch leitenden Kontakts, der von zumindest einer aus Kunststoff bestehenden Schicht abgedeckt ist, anhand eines Solarzellenmoduls beschrieben, ohne dass hierdurch die erfindungsgemäße Lehre eingeschränkt werden soll. Dabei werden in den Figuren für gleiche Elemente grundsätzlich gleiche Bezugszeichen verwendet.
In Fig. 1 ist rein prinzipiell eine Anordnung dargestellt, mit der ein Querverbinder 10 eines Solarzellenmoduls 12 frei gelegt wird, um sodann mit Anschlusskontakten einer Kontaktdose elektrisch leitend verbunden zu werden.
Hierzu ist ein Laserscanner 14 vorgesehen, der neben einem Laserstrahlung emittierenden Laser wie CO2-Laser Ablenkspiegel und Optiken aufweist, um den Laserstrahl 16 über einen gewünschten Bereich des Solarzellenmoduls 12 zu bewegen, um den Querverbinder 10 abdeckende Schichten 18, 20 durch Verdampfen zu entfernen. Es wird ein Laserscanner benutzt, dessen Aufbau und Funktionsweise für einen Durchschnittsfachmann hinreichend bekannt sind.
Entsprechend dem Ausführungsbeispiel des Solarzellenmoduls 12 handelt es sich bei den Schichten 18, 20 um eine querverbinderseitig verlaufende transparente Kunststoffschicht aus z. B. Ethylenvinylacetat (EVA) oder Silikongummi und eine diese außenseitig abdeckende witterungsfeste Kunststoffverbundfolie aus insbesondere Polyvinylfluo- rid und Polyester.
Im Bereich der Querverbinder 10 verläuft unterhalb dieser eine weitere transparente Kunststoffschicht aus z. B. Ethylenvinylacetat oder Silikongummi, die mit 22 gekennzeichnet ist. Die entsprechende Einheit ist auf einer Glasplatte 24 oder einem sonstigen transparenten Träger angeordnet. Die verschalteten Solarzellen selbst sind nicht dargestellt, die sich zwischen den Schichten 20 und 22 befinden.
Nach Anordnen der einzelnen Schichten und der Solarzellen erfolgt das Laminieren des Moduls insbesondere bei Temperaturen von ca. 150 0C und bei Unterdruck. Beim Laminieren bildet sich aus den ursprünglich milchigen die Solarzelle unmittelbar umgebenden transparenten Kunststoffschichten (EVA oder Silikongummi) eine klare Kunststoffschicht, in der die Solarzellen eingebettet und fest mit der Glasscheibe oder Rückseitenfolie verbunden sind. Insoweit wird jedoch auf hinreichend bekannte Techniken verwiesen.
Um die Querverbinder 10 mit den Anschlusskontakten einer Anschlussdose zu verbinden, wird in den freizulegenden Bereichen 26 der Laserstrahl 16 nach einem vorgegebenen Muster bewegt, das in der Steuerung des Laserscanners 14 abgelegt ist. Dabei erfolgt ein Energieeintrag in einem Umfang, dass die oberhalb des Querverbinders 10 verlaufenden Schichten 18, 20 verdampfen, ohne das eine Beschädigung der Umgebung, also des angrenzenden Bereichs des Solarzellenmoduls 12 erfolgt. Insbesondere wird vermieden, dass der Laserstrahl 16 neben dem Querverbinder 26 auf den Schichten 18, 20 in einem Umfang auftrifft, dass ein Einkoppeln in die Glasplatte 24 mit der Folge gegeben sein kann, dass diese platzt.
Die Bewegung des Laserstrahls 16 kann mäander- bzw. zickzackförmig oder linienför- mig entlang parallel verlaufender Geraden erfolgen. Wesentlich dabei ist jedoch, dass ein gleichmäßiger Abtrag, also ein gleichmäßiges Verdampfen der Schichten 18, 20 oberhalb des Querverbinders 26 erfolgt. Daher ist für den Fall, dass die bzw. der Spiegel des Laserscanners 14 angehalten sind, eine Anschaltverzögerung für den Laser vorgesehen.
Dies bedeutet, dass beim Stillstand des bzw. der Spiegel Laserlicht nicht auf das Modul auftrifft, also der Laser ausgeschaltet ist. Der Abstand der Laserlinien kann variiert werden, wobei eine Überlappung der Laserlinien erfolgt. Insbesondere kann der Laser derart über den abzutragenden Bereich gefahren werden, dass der Abstand der Laserlinien im Bereich zwischen 0,05 mm und 0,2 mm, vorzugsweise im Bereich zwischen 0,1 mm und 0,2 mm liegt. Somit ist eine hinreichende Überlappung gegeben, da der Durchmesser des Fokus größer als 0,1 mm ist, insbesondere im Bereich zwischen 0,4 mm und 1,0 mm liegt.
Vorzugsweise weist das Lasersystem einen CO2-Laser mit einem zwei-achsigen Scannsystem auf. Um über die gesamte abzutragende Fläche den Fokus in einer geraden Ebene abzubilden, ist eine entsprechende Planfeldoptik vorgesehen. Es kann jedoch auch ein drei-achsiges Scannsystem mit Festbrennweite Verwendung finden.
Unabhängig hiervon sollte der CO2-Laser mit einem maximalen Tastverhältnis von 50 % arbeiten, wobei die Pulsweiten zwischen 10 μ/sec und 400 μ/sec liegen sollten.
Die Geschwindigkeit, mit der der Laserstrahl den abzutragenden Bereich überfährt, sollte im Bereich zwischen 1000 mm/sec und 4000 mm/sec liegen, wobei besonders gleichmäßige Ergebnisse dann erzielbar sind, wenn der abzutragende Bereich mehrfach von dem Laserstrahl überfahren wird. Geschwindigkeit, Laserleistung und Pulsfrequenz sollten daher derart abgestimmt werden, dass ein zwei- bis dreifaches Überfahren möglich ist. Besonders bevorzugt sollte ein quasi-kontinuierlicher Betrieb eingestellt werden, so dass Pulsfrequenzen von mehr als 10 kHz zu bevorzugen sind.
Des Weiteren ist vorgesehen, dass die Flächenabtragsrate zwischen 75 mm2/sec und 225 mm2/sec bei einer Dicke der abzutragenden Schichten 18, 20 zwischen 0,5 mm und 1 mm liegt.
Die Fig. 5 und 6 sollen verdeutlichen, dass entsprechende erfindungsgemäß freigelegte Querverbinder 10 des Solarzellenmoduls 12 anschließend mit Anschlusskontakten 28 einer Anschlussdose 30 kontaktiert werden, die ihrerseits mit dem Solarzellenmodul, d. h., dessen Laminat z. B. mit Silikon oder Klebeband verbunden wird. Dies soll rein prinzipiell durch die mit dem Bezugszeichen 32 gekennzeichnete Umrandung in Fig. 6 verdeutlicht werden.
Zuvor wird mittels eines Bildverarbeitungssystems oder sonstigen Sensors, wie dieser im Zusammenhang mit den Fig. 9 und 10 erläutert wird, das Solarzellenmodul 12 mit den freigelegten Querverbindern 10 gemessen, um sodann die Positionsdaten der Steuerung einer Handhabungseinrichtung zuzuführen, mittels der die Anschlussdose 30 positionsgenau mit ihren Kontakten 28 auf die Querverbinder 10 ausgerichtet wird, um sodann den erforderlichen elektrischen Kontakt herzustellen. Dabei sind in der Fig. 7 zwei Kontaktmöglichkeiten dargestellt. In Fig. 7 wird der Querverbinder 10 mit dem Anschlusskontakt 28 der Anschlussdose 30 Stoff schlüssig verbunden. Dies erfolgt insbesondere durch Laser- oder Induktionslöten. Nach dem Ausführungsbeispiel der Fig. 8 wird der Anschlusskontakt 28 mit dem Querverbinder 10 alternativ über einen Federkontakt 34 hergestellt. Andere Verbindungsarten sind selbstverständlich gleichfalls möglich.
Wie sich aus den Fig. 3 und 4 ergibt, werden rückseitig die Schichten 18, 20 in mehreren Bereichen freigelegt, und zwar überall dort, wo Querverbinder verlaufen, die sodann mit Anschlusskontakt an die Anschlussdose elektrisch leitend zu verbinden sind.
Gemäß der Fig. 3 sind beispielhaft vier entsprechende freigelegte Bereiche 26 von Querverbindern 10 dargestellt.
Des Weiteren ergibt sich aus den Fig. 3 und 4 noch einmal der prinzipielle Aufbau eines Solarzellenmoduls. Der entsprechende Schichtaufbau ist detailliert der Fig. 4 zu entnehmen.
Dabei wird das Solarzellenmodul 12 von der Rückseite aus betrachtet, so dass als erste Schicht die witterungsfeste Kunststoffverbundfolie aus z. B. Polyvinylfluorid und Polyester (Schicht 20), nachfolgend die aus z. B. Ethylenvinylacetat oder Silikongummi bestehende Schicht 18, rein prinzipiell Solarzellen 36, eine weitere aus transparenten Kunststoff bestehende Schicht 38 aus z. B. Ethylenvinylacetat oder Silikongummi und schließlich eine frontseitige Glas Schicht 40 erkennbar sind. Von den in Reihe oder parallel verschalteten Solarzellen 36 gehen sodann die Querverbinder 10 aus, die mit den Kontakten 28 der Anschlussdose 30 verbunden werden.
Erfindungsgemäß erfolgt ein laserbasiertes Abtragen der rückseitigen Schichten 18, 20 des laminierten Solarzellenmoduls 12 in den Bereichen der Querverbinder 10, die mit den Kontakten 28 der Anschlussdose 30 verbunden werden sollen. Dabei erfolgt ein reproduzierbares vollautomatisches Freilegen der Querverbinder 10, ohne dass eine Beschädigung der angrenzenden Bereiche des Solarzellenmoduls 12 erfolgt.
Es können hohe Flächenabtragungsraten erzielt werden, die ohne Weiteres im Bereich zwischen 150 mm2/sec und 200 mm2/sec bei üblichen rückseitigen Schichtdicken liegen, deren Dicken insgesamt zwischen 0,5 mm und 1 mm betragen können.
Durch das genaue Erfassen der Lage der Querverbinder 10 mittels z. B. der Bildverarbeitung ist sichergestellt, dass der Laserstrahl ausschließlich auszuwählende Bereiche der abzutragenden Schichten 18, 20 beaufschlagt. Eine Einkopplung der Laserstrahlung in Bereichen neben dem Querverbinder 10 kann daher in einem Umfang ausgeschlossen werden, dass ein Einkoppeln in das Glas 40 erfolgt, das anderenfalls zerspringen könnte. Die Querverbinder 10 werden dabei in einem Umfang freigelegt, dass ein sicheres stoff schlüssiges Verbinden mit den Anschlusskontakten 28 der Anschlussdose 30 erfolgt.
Auch wenn grundsätzlich verhindert werden soll, dass unmittelbar im Bereich des Kontakts vorhandenes Material entfernt wird, also von der Laserstrahlung beaufschlagt wird, das neben dem Querverbinder 10 verläuft, um ein Einkoppeln der Laserstrahlung in das Glas 40 auszuschließen, so wird die Erfindung nicht verlassen, wenn im oberen Bereich der zumindest äußeren Schicht 20, ggfs. auch bis zum oberen Bereich der Schicht 18 ein Abtrag von Material erfolgt, der eine Flächenerstreckung hat, deren Projektion in Richtung des Kontakts seitlich neben dem Kontakt verläuft, so dass sich quasi ein trichterförmig bzw. im Schnitt trapezförmig freigelegter Bereich von der Oberfläche der Schicht ausgehend bis zum Kontakt erstreckt. Durch die diesbezüglichen Maßnah- men wird der Vorteil erzielt, dass das Anschließen mit den Anschlusskontakten 28 vereinfacht wird.
Ein gleiches trichterförmiges bzw. im Schnitt trapezförmiges Freilegen kann auch dann durchgeführt werden, wenn z. B. Kontakte repariert werden sollen, wie dies im Zusammenhang mit den Fig. 9 und 10 erläutert wird.
Anhand der Fig. 9 und 10 soll ein weiterer Aspekt der erfindungsgemäßen Lehre erläutert werden, aufgrund dessen ein fehlerhafter elektrischer Kontakt repariert bzw. erneuert werden kann. Dabei wird gleichfalls die Lehre anhand eines Solarzellenmoduls erläutert, ohne dass hierdurch die erfindungs gemäße Lehre eingeschränkt werden soll. Ebenfalls werden für gleiche Elemente grundsätzlich gleiche Bezugszeichen verwendet.
Unabhängig hiervon ist in Bezug auf das verwendete Lasersystem bzw. den Laser, die Parameter, mit denen das Lasersystem betrieben wird oder die Art und der Umfang des Abtrags der Fläche der zumindest einen aus Kunststoff bestehenden Schicht, die sich oberhalb des Kontaktes befindet, auf die Ausführungen zu verweisen, die im Zusammenhang mit den Fig. 1 und 8 dargelegt worden sind.
In Fig. 9 ist rein prinzipiell eine Anordnung dargestellt, mit der ein elektrischer Kontakt zwischen einem Querverbinder 110 und einem Zellen- oder Stringverbinder 112 eines Solarzellenmoduls 114 freigelegt wird, um diese sodann erneut elektrisch leitend zu verbinden.
Zum Freilegen wird ein Laserscanner 116 benutzt, der neben einem Laserstrahlung emittierenden Laser, wie CO2-Laser, Ablenkspiegel und Optiken aufweist, um den Laserstrahl 118 über einen gewünschten Bereich des Solarzellenmoduls 114 zu bewegen, um die den Querverbinder 110 und den Zellen verbinder 112 abdeckende Schichten 120, 122 durch Verdampfen zu entfernen. Es wird ein Laserscanner benutzt, dessen Aufbau und Funktionsweise für einen Durchschnittsfachmann hinreichend bekannt sind. Entsprechend dem Ausführungsbeispiel des Solarzellenmoduls 114 handelt es sich bei den Schichten 120, 122 um eine querverbinderseitig verlaufende transparente Kunststoffschicht aus z. B. Ethylenvinylacetat (EVA) oder Silikongummi und eine diese außenseitig abdeckende witterungsfeste Kunststoffverbundfolie aus insbesondere Polyvi- nylfluorid (TEDLAR) und Polyester.
Im Bereich des Querverbinders 110 verläuft unterhalb von diesem eine weitere transparente Kunststoffschicht aus z. B. Ethylenvinylacetat oder Silikongummi, die mit 124 gekennzeichnet ist. Die entsprechende Einheit ist auf einer Glasplatte 126 oder einem sonstigen transparenten Träger angeordnet. Die verschalteten Solarzellen selbst sind nicht dargestellt, die sich zwischen den Schichten 120 und 124 befinden.
Nach Fertigstellung des Moduls erfolgt eine Funktionsprüfung. Sollte sich herausstellen, dass Fehler bei der Verschaltung oder nicht hinreichend gute elektrisch leitende Kontakte zwischen den Querverbindern und den String- oder Zellenverbindern vorliegen, so wird nach dem Stand der Technik das Modul ausgesondert, da anderenfalls bei Betrieb die Gefahr einer unzulässigen Erwärmung bis zur Entstehung eines Brandes erwächst.
Aufgrund der erfindungsgemäßen Lehre erfolgt eine Überprüfung des Moduls dahingehend, dass festgestellt wird, welche elektrischen bzw. welcher elektrische Kontakt fehlerhaft sind bzw. ist. Dies kann mit einer Bildverarbeitung als Sensor erfolgen. Aber auch mittels Temperatursensoren können fehlerhafte Kontaktstellen festgestellt werden.
Sind die fehlerhaften Kontakte ermittelt worden, so wird über den bzw. die freizulegenden Bereiche der Laserstrahl 118 nach einem vorgegebenen Muster bewegt, das in der Steuerung des Laserscanners 116 abgelegt ist. Dabei erfolgt ein Energieeintrag in einem Umfang, dass die oberhalb des Querverbinders 110 und des oder der Stringverbinder 112 verlaufenden Schichten 120, 122 verdampfen.
Muster bedeutet dabei bzw. schließt ein, wie der Laserstrahl zu dem zu reparierenden Kontakt bewegt wird bzw. welche Laserleistung zur Anwendung gelangt. Auch Breite des auf die abzutragende Schicht auftreffenden Laserstrahls oder sonstige für das Applizieren der Laserstrahlung erforderliche Parameter können den Begriff Muster einschließen.
Erfindungsgemäß wird vermieden, dass der Laserstrahl außerhalb des zu reparierenden Kontakts auf die Schichten 120, 122 in einem Umfang auftreffen kann, dass ein Ein- koppeln in die Glasplatte 126 erfolgt. Dies kann z. B. durch eine Schablone oder eine angelegte Freilegkontur erfolgen. Mittels dieser wird ein Bereich für die Strahlung freigegeben, der kleiner als der der zu reparierenden Kontakte ist. Freilegekontur bedeutet, dass die Schicht bzw. Schichten, die den zu reparierenden Kontakt abdecken, in den Bereichen abgedeckt werden, auf die der Laserstrahl nicht auftreffen soll. Es werden die Bereiche freigelassen, in denen ein Abtragen zum Reparieren des Kontakts erfolgen soll.
Die Bewegung des Laserstrahls 118 kann - wie zuvor erläutert - mäander- bzw. zick- zackförmig oder linienförmig entlang parallel verlaufender Geraden erfolgen. Wesentlich dabei ist jedoch, dass ein gleichmäßiger Abtrag, also ein gleichmäßiges Verdampfen der Schichten 120, 122 oberhalb der Kontaktstelle erfolgt. Daher ist für den Fall, dass die bzw. der Spiegel des Laserscanners 116 angehalten sind, eine Anschaltverzögerung für den Laser vorgesehen.
Dies bedeutet, dass beim Stillstand des bzw. der Spiegel Laserlicht nicht auf das Modul 114 auftrifft, also der Laser 118 ausgeschaltet ist.
Bezüglich des Abstands der Laserlinien, deren Breite, die Art des verwendeten Lasersystems, Tastverhältnisse und Geschwindigkeit und Art des zu überfahrenden Bereichs ist auf die Ausführungen im Zusammenhang mit den Fig. 1 bis 8 zu verweisen. Gleiches gilt hinsichtlich der Flächenabtragungsrate oder sonstiger erfolgter Erläuterungen.
Erfindungsgemäß erfolgt ein laserbasiertes Abtragen der rückseitigen Schichten 120, 122 des laminierten Solarzellenmoduls 114 in den Bereichen, in denen elektrische Kon- taktverbindungen repariert werden sollen. Dabei erfolgt ein reproduzierbares vollautomatisches Freilegen der Kontaktstelle.
Es können hohe Flächenabtragungsraten erzielt werden, die ohne Weiteres im Bereich zwischen 150 mm2/sec und 200 mm2/sec bei üblichen rückseitigen Schichtdicken liegen, deren Dicken insgesamt zwischen 0,5 mm und 1 mm betragen können.
Durch das genaue Erfassen der Lage der Kontaktstelle mittels des Sensors wie die Bildverarbeitung kann sichergestellt werden, dass der Laserstrahl 118 ausschließlich die Bereiche der abzutragenden Schichten 118, 120 beaufschlagt, die oberhalb der Kontaktstelle verlaufen. Eine Einkopplung der Laserstrahlung in den danebenliegenden Bereichen und damit in das Glas 126 ist ausgeschlossen, das anderenfalls zerspringen könnte. Die Kontaktstelle wird dabei in einem Umfang freigelegt, dass ein sicheres stoffschlüssiges Verbinden zwischen dem Querverbinder 110 und dem bzw. den Zellen- oder Stringverbindern 112 erfolgt.

Claims

Patentansprüche Verfahren zum Freilegen eines elektrischen Kontakts
1. Verfahren zum Freilegen von zumindest einem von zumindest einer vorzugsweise aus Kunststoff bestehenden Schicht abgedeckten elektrischen Kontakt einer Solarzelle oder eines Solarzellenmoduls,
gekennzeichnet durch die Verfahrens schritte
Ermitteln der Lage des zumindest einen Kontakts mittels eines Sensors, Abtragen der zumindest einen Schicht mittels eines Laserstrahls eines Laserscanners unter Berücksichtigung der ermittelten Lage und ein in einer Steuerung des Laserscanners abgelegten Musters,
wobei die zumindest eine Schicht in einem flächigen Bereich abgetragen wird, dessen Projektion in Richtung des Kontakts innerhalb oder im Wesentlichen innerhalb von diesem liegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass mehrere elektrische Kontakte in Form von Querverbindern eines laminierten Solarzellenmoduls freigelegt und mit Kontakten einer Anschlussdose verbunden werden, wobei die Querverbinder solarzellenmodulrückseitig von einer transparenten Kunststoffschicht sowie einer Kunststofffolie abgedeckt sind und die Kunststoffschicht und die Kunststofffolie mittels des Laserstrahls abgetragen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der elektrische Kontakt ein fehlerhafter Kontakt ist, der nach dem Abtragen der zumindest einen Schicht repariert oder erneuert wird.
4. Verfahren nach zumindest einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass mittels einer Schablone oder einer Freilegekontur der Bereich der Schicht unbedeckt bleibt, innerhalb dessen der Kontakt freigelegt wird.
5. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Laserscanner ein solcher mit einem zwei-achsigen Scannsystem mit vorzugsweise Planfeldoptik oder ein drei-achsiges Scannsystem verwendet wird.
6. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein CO2- Lasersystem verwendet wird.
7. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass ein gepulstes Lasersystem verwendet wird, dessen Pulsfrequenz v mit v > 5 kHz, insbesondere v > 10 kHz, ist.
8. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Abtragen der zumindest einen aus Kunststoff bestehenden Schicht der zum Abtragen verwendete Laserstrahl mit einer Geschwindigkeit V über die abzutragende Fläche bewegt wird, wobei 200 mm/sec < V < 7500 mm/sec, insbesondere 2000 mm/sec < V < 4000 mm/sec, vorzugsweise 3300 mm/sec < V < 3700 mm/sec beträgt.
9. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass zum Abtragen der zumindest einen aus Kunststoff bestehenden Schicht der Laserstrahl mehrfach über die abzutragende Fläche bewegt wird.
10. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zum Abtragen der zumindest einen aus Kunststoff bestehenden Schicht der Laserstrahl zwei- bis fünfmal, insbesondere zwei- bis dreimal, über die abzutragende Fläche bewegt wird.
11. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Laserstrahl über die abzutragende Fläche mäander- oder zickzackförmig bewegt wird.
12. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Laserstrahl entlang parallel zueinander verlaufender Linien über die abzutragende Fläche bewegt wird, wobei der Abstand zwischen den Linien 0,05 mm bis 0,2 mm, insbesondere zwischen 0,1 mm bis 0,2 mm beträgt.
13. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Lasersystem im Randbereich der abzutragenden Fläche anschaltverzögert betrieben wird.
14. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Lasersystem derart betrieben wird, dass die Pulsweiten zwischen 10 μs und 400 μs liegen.
15. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Laser derart betrieben wird, dass die Abtragsrate zwischen 75 mm2/s und 225 mm2/s, vorzugsweise 100 mm2/s und 200 mm2/s bei einer abzutragenden Schichtdicke zwischen 0,5 mm und 1,0 mm liegt.
16. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Laserstrahl punktförmig auf die abzutragende Fläche mit einem Durchmesser D mit 0,3 mm < D < 1,2 mm, insbesondere 0,4 mm < D < 0,8 mm fokus- siert wird.
17. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Lasersystem mit einer Leistung P mit 100 Watt < P < 1000 Watt, insbesondere 200 Watt < P < 400 Watt, betrieben wird.
18. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Sensor ein optischer Sensor mit Bildverarbeitung verwendet wird.
19. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass als Sensor ein Temperatur messender Sensor verwendet wird.
20. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der optische Sensor bezogen auf den Laserscanner auf gegenüberliegender Seite des zumindest einen elektrischen Kontakts positioniert wird.
21. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lage des zumindest einen elektrischen Kontakts optisch im Durchlicht- verfahren ermittelt wird.
22. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lage des zumindest einen elektrischen Kontakts induktiv ermittelt wird.
23. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Lage des zumindest einen elektrischen Kontakts mittels Ultraschall ermittelt wird.
24. Verfahren nach zumindest einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der zumindest eine elektrische Kontakt streifenförmig ist, der in seinen die freigelegte Fläche begrenzenden Randbereichen durch mittels des Laserstrahls aufgeschmolzenen Materials der zumindest einen Kunststoffschicht versiegelt wird.
25. Verfahren nach zumindest einem vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass der freigelegte elektrische Kontakt mittels Lötens wie Laserlötens in seiner stoff schlüssigen Verbindung erneuert wird.
26. Verfahren nach zumindest Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass nach Freilegen der Querverbinder das Solarzellenmodul mittels einer Handhabungseinrichtung auf die freigelegten Bereiche der Querverbinder die Kontakte der Anschlussdose aufgelegt und diese sodann mit den freigelegten Bereichen kraft- und/oder stoff schlüssig verbunden werden.
27. Verfahren nach zumindest Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass während des elektrisch leitenden Verbindens der freigelegten Bereiche mit den Kontakten oder danach die Anschlussdose mit dem Solarzellenmodul vorzugsweise mittels Silikon oder Klebeband verbunden wird.
28. Verfahren nach zumindest Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass Position des Solarzellenmoduls mit den freigelegten Bereichen mittels einer Bildverarbeitung erfasst und so gewonnene Daten einer Steuerung einer Handhabung seinrichtung zum Ausrichten der Kontakte auf die freigelegten Bereiche übermittelt werden.
29. Verfahren nach zumindest Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass von der Oberfläche der zumindest einen abzutragenden Schicht in Richtung des Kontakts ausgehend Material derart abgetragen wird, dass sich eine trichterförmige Öffnung in der zumindest einen Schicht ergibt, wobei Projektion der Öffnung im Bereich der Oberfläche in Richtung des Kontakts bereichsweise außerhalb von diesem und Projektion der auf den Kontakt stoßenden Öffnung innerhalb des Kontakts liegt.
30. Verfahren nach zumindest Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Laserstrahl unmittelbar oberhalb des Kontakts einen Bereich der Schicht abträgt, dessen Projektion in Richtung des Kontakts ausschließlich innerhalb des Kontakts liegt.
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