WO2011003969A2 - Verbundsystem für photovoltaik-module - Google Patents

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Definitions

  • the present invention relates to a composite system for photovoltaic (PV) modules.
  • the composite system consists of a carrier foil, a metal foil, which is applied to the carrier foil and an insulating layer, which is applied to the metal foil.
  • various photovoltaic (PV) cells can then be mounted on the composite system and electrically interconnected.
  • the invention relates to a method for producing the composite system for PV modules, as well as the use of the composite system for back-side contacting of wafer cells, both contacts on the same side and are set with these contacts on interconnect structures, which interconnect them into a module and the use of the composite system for modules of internally interconnected thin-film cells.
  • a PV module converts sunlight directly into electrical energy and contains as its most important component several PV cells (up to 160 cells), which are interconnected.
  • the cells are combined by means of different materials to form a composite which fulfills several purposes:
  • the composite forms a transparent, radiation- and weather-resistant cover and, by means of the corresponding packaging, provides robust electrical connections.
  • the brittle PV cells and electrical connections are protected against both mechanical influences and moisture.
  • the packaging of the PV cells allows sufficient cooling of the same.
  • the electrical components are protected against access and the modules can be better handled and fixed.
  • There are various types of PV modules with different types of PV cells As a rule, PV modules have a glass plate on the side facing the sun (front side), whereby usually a so-called single-pane safety glass (ESG) is used.
  • ESG single-pane safety glass
  • a transparent plastic layer such as ethylene vinyl acetate (EVA) or silicone rubber
  • EVA ethylene vinyl acetate
  • silicone rubber silicone rubber
  • the PV cells are embedded, which are electrically interconnected by Lötbisserchen.
  • the modules are finished with a durable plastic composite film, for example of polyvinyl fluoride or polyester, or another glass sheet.
  • a durable plastic composite film for example of polyvinyl fluoride or polyester, or another glass sheet.
  • these are usually laminated at about 150 0 C.
  • the previously milky EVA film forms a clear, three-dimensionally crosslinked and non-fusible plastic layer in which the PV cells are embedded and which is firmly connected to the glass pane and the backsheet.
  • Monocrystalline and multi-crystalline PV cells are produced from so-called wafers (monocrystalline or multi-crystalline silicon wafers), as used in the same or similar form for semiconductor production. On a large scale, these silicon cells have an efficiency of up to 20% or more and a power density of 20-50 W / kg.
  • Several of these cells are connected in series in a PV module by means of solder strips to individual strands (so-called strings) in series until the correct output voltage is reached.
  • Several such cell groups are then connected in parallel to add their output currents and lead them to the module terminals. The lines used for this purpose are called busbars. For cell pinning, the front of each cell (e.g., negative pole) must be connected to the back of the next cell (positive pole), often using tinned copper tapes.
  • the printed circuit boards which are arranged behind each cell, give the wafers additional stability, which has a particularly advantageous effect on thin wafers.
  • Such printed circuit boards are expensive and in turn must be connected to one another, which makes either the connections of individual printed circuit boards necessary or requires very large printed circuit boards (in module size), which are correspondingly expensive to manufacture.
  • these wafer cell modules consist of many different components that must be processed in each individual steps, which is complicated and costly. It is therefore an object of the present invention to overcome the stated disadvantages of the prior art and to allow a simpler and less expensive construction of wafer cell modules, in particular with ever thinner wafer cells.
  • thin-film cells usually consist of a thin semiconductor layer of amorphous and / or microcrystalline silicon (a-Si or ⁇ -Si), but also cadmium telluride (CdTe), copper Indium diselenide (CIS) or other materials.
  • a-Si or ⁇ -Si amorphous and / or microcrystalline silicon
  • CdTe cadmium telluride
  • CIS copper Indium diselenide
  • the active semiconductor layer typically amorphous and / or microcrystalline silicon
  • the active semiconductor layer is applied by special coating processes to a glass plate or to a flexible support, typically steel or copper tapes.
  • An advantage in the production of modules in thin-film technology is the simple interconnection of the cells. After coating with the active material, it is subdivided by means of special laser processes into cells that are strung together. The external Verstehnung by ribbon, as used in wafer cell modules, thus deleted. For current collection, however, tapes are still used for the so-called busbars for the derivation of the power generated.
  • Silicon thin-film PV cells are described, for example, in DE 44 10 220 B4 and DE 10 2006 044 545 A1.
  • the most commonly used thin-film cell module types consist of a (antireflex-coated) glass plate onto which an electrically conductive and optically transparent layer is applied (Transparent Conductive Oxide - TCO, usually zinc oxide).
  • This layer forms the front contact and is laser structured to achieve cell division.
  • An active layer for example silicon, is applied thereon and the backside of this contact and a reflector, since the light must be passed several times through the thin active layer (1 -2 microns) in order to be absorbed sufficiently. Behind the module is completed and protected against environmental influences.
  • the back reflector may consist of a metal coating whose rough texture allows a diffuse reflection and at the same time serves as a conductor, which is responsible for the Verstringung of the cells (integrated back contact and reflector); or the reflector is applied in the form of white paint, which diffusely reflects.
  • an optically transparent conductor is necessary for the connection, usually TCO.
  • the properties of the reflector and contact can not be optimized separately. If, for example, the texture of the corresponding layer is reinforced, the diffuse reflection properties improve, but at the same time the electrical resistance increases. Furthermore, the texture can only be controlled to a limited extent via the setting of the coating processes. In addition, the metal layer interferes with the laser process, with which the module is divided into cells. Uncontrolled metal splashes can cause short circuits that can destroy parts of the module. The plastics used to complete the module are expensive and difficult to process. Thin-film modules with separate reflector and back contact are therefore easier to manufacture. However, the color used as a reflector has disadvantages, since the reflection values to be achieved over a relatively large wavelength range are insufficient. This is particularly disadvantageous if cells / modules are to be realized which consist of several active layers and together cover a wider wavelength range in order to increase the overall efficiency of the module.
  • busbars in the form of ribbons must be mounted on both sides along the longitudinal direction of the module. Due to the length of the ribbons and their inherent saberiness this is complicated and expensive. Another disadvantage is increasingly the structure of the ribbon of tin-coated copper out. If the tin layer is damaged or completely missing, corrosion of the exposed copper surface can result in reduced module life. All in all, the modules consist of many components that have to be processed in several steps, which is cost-intensive, time-consuming and error prone. The object of the present invention is therefore additionally to allow a simpler and more cost-effective construction of thin-film modules. The problem is solved by the composite system according to the invention, the method for producing such a composite system, as well as their use for different PV modules.
  • This interconnection system performs several functions necessary for the interconnection and connection of photovoltaic cells and modules as well as for the termination of the modules and their protection against environmental influences.
  • unabsorbed radiation is reflected back into the cells, so that it can be recycled.
  • the composite system according to the invention thus allows a simple and cost-effective production of photovoltaic modules and an improvement in efficiency and reliability.
  • the proposed composite system is thus suitable both for the back contact of wafer cell modules and for thin-film cell modules.
  • the formation, structuring and contacting of the conductor ultimately determines for which application the composite system is used.
  • the composite system for photovoltaic applications consists of a carrier foil, with the help of which the module is sealed against environmental influences and carries the further functional layers.
  • a metal foil is applied, which is structured appropriately for Verstringung the cells and used as a busbar (electrical function) and at the same time performs an optical function by serving as a reflector.
  • the metal foil is designed such that it is provided with a surface texture.
  • An insulating layer is adhesively applied to the metal foil and electrically insulates the cell from the metal foil. At the contact points, this layer is removed. This can by mechanical removal or ablation done by laser.
  • the insulating layer is also provided with a connecting means. This facilitates the fixing of cells on the film composite. The light that passes through the active layer is transmitted to the metal foil so that it is reflected back into the active layer.
  • the composite system can be stably connected to the PV cells.
  • this is connected by means of an electrically conductive adhesive with the cells.
  • this connection is produced mechanically by pressing or by laser processing.
  • electrical connections are simultaneously produced by soldering, preferably by means of low-melting solder.
  • connection means on the insulation layer may be an adhesive.
  • the insulation layer itself is adhesively equipped. This has the advantage that the handling of the cells is greatly facilitated. It is thus possible to fix the photovoltaic cells already adhering to the film composite before they get into the laminator. By the process of lamination these are then finally connected to the film composite.
  • the carrier film preferably consists of polyvinyl butyral (PVB), polyvinyl fluoride, ethylene vinyl acetate (EVA) or a plastic with comparable thermal and physical properties.
  • the carrier film is preferably made of polyethylene terephthalate in the form of biaxially oriented polyester (boPET) or of composites of various materials. This gives the composite system additional mechanical stability.
  • the carrier film is coated on the back, preferably with aluminum. This is particularly advantageous if the carrier film forms the module end.
  • the metal foil which is adhesively applied to the carrier foil is preferably made of tin or a tin alloy, or a plated tin foil. It is also possible to use copper, aluminum or silver for this purpose.
  • the metal foil has a thickness of at least 5 .mu.m, preferably 5-25 .mu.m and particularly preferably 10- 20 .mu.m.
  • the metal foil is provided with a layer which increases the reflection.
  • This is preferably a tin foil coated with a silver surface or aluminum coated with silicon dioxide and / or titanium dioxide.
  • This layer allows a particularly efficient reflection of the light that penetrates through the active layer.
  • This layer should have a reflection of> 80% in the wavelength range of 300 nm to 1000 nm.
  • the metal foil is provided with a surface texture.
  • the surface texture is preferably made of three-dimensional, regular or irregular structures
  • the surface texture of the metal foil particularly preferably consists of pyramids or hemispheres
  • the surface texture and / or the pyramids or hemispheres has a height of 1-20 ⁇ m, preferably 5-15 ⁇ m, particularly preferably 5-10 ⁇ m
  • the surface texture and / or the pyramids or hemispheres a random height distribution of 1 - 20 ⁇ m, preferably 5-15 microns, more preferably 5-10 microns have.
  • the surface texture consists of pyramids of the preferred size with an apex angle of ⁇ 160 °, preferably ⁇ 140 °.
  • the surface texture of the metal foil consists of pyramids or hemispheres which have a characteristic size of at most 1000 nm. It is further preferred if the surface texture and / or the pyramids or hemispheres have a random height distribution of 10-1000 nm, preferably 100-1000 nm.
  • the insulating layer which is adhesively applied to the metal foil, consists of an optically transparent and electrically insulating material.
  • This is preferably a suitable plastic or an artificial resin.
  • the synthetic resin is preferably an epoxy resin.
  • this layer may also be applied to the metal foil by a physical vapor deposition (PVD) process or by a sol-gel process. This layer is intended to electrically insulate the metal layer from the cell and to have a certain dielectric strength.
  • this layer should also be optically transparent in the range from 400 nm to 1000 nm (absorption coefficient ⁇ ⁇ 3 * 10 -3 / cm) .
  • the insulation layer should have a refractive index in the wavelength range mentioned which is greater than the refractive index of the entrance window The refractive index in this range is preferably 1 1.4, more preferably 1 1. 6.
  • the insulating layer is interrupted so that electrical contacts can be established between the metal layer within the composite system and the PV cells.
  • the insulating layer has a refractive index which is less than or equal to the refractive index of the glass used as the entrance window.
  • the suitable plastic used for isolating layer is used to PVB.
  • This material has the advantage that it will simultaneously achieve an adhesion of the foils to the cells during the lamination process or the upstream assembly process of the cell. The latter can be particularly advantageous, as this simplifies and prevents the transport of the assembled and assembled module into the laminator, since it displaces components during the lamination process.
  • the film system can be heated during the assembly process of the cell (pick and place), so that the PVB becomes adhesive and fixes the cell.
  • the method for producing a composite system for PV modules involves the following method steps: A preferably textured metal foil is joined to a carrier foil by an adhesive bond. Thereafter, the metal foil is ablated locally, for example by means of a laser process, and thus structured in such a way that the conductor track structure required for the busbars and / or the suspension is produced. Subsequently, these joined layers are connected to the insulating layer; and the insulating layer is opened at certain locations to make the electrical contacts. For reasons of surface protection, it may be preferable to make the contact openings shortly before lamination.
  • the composite system is suitable for the production of wafer cells or thin-film cells.
  • the bonding of the individual films is preferably carried out by Kaschur or by the adhesive properties of the film itself. Alternatively, it is also possible to first connect the metal foil to the insulating layer and then to join these layers to the carrier film.
  • the bonding means is a thermosetting, electrically conductive adhesive so that the electrical connections to the PV cells can be made during the lamination process.
  • the electrical connection between the composite system and wafer or thin film cells may be via a laser soldering process respectively. In this case, however, an additional processing operation is necessary.
  • Another alternative of the electrical connection is the mechanical pressing of the composite system with the Kunststofftechniksöffnun- gene.
  • the composite system is used for the back-contacting of wafer cell modules, this leads to a significant cost minimization since no expensive printed circuit boards need be used.
  • the reflectors are integrated directly into the conductor structure, which allows the use of thinner wafers.
  • the desired reflector texture is embossed into the metal foil prior to bonding the carrier foil and metal foil.
  • the reflector texture is embossed in the carrier foil connected to the metal foil, or transferred from an embossed insulating layer during the joining to the metal foil. This texture ensures that the light is reflected back so that as much light as possible is returned to the PV cell and absorbed there ("light trapping").
  • the metal layer may be perforated in a further alternative embodiment, so that better adhesion to the adjacent layers can be produced.
  • the carrier film used is preferably polyvinyl butyral (PVB), which is used in the production of laminated glass, and with which there is much application experience.
  • PVB polyvinyl butyral
  • the material for the insulating layer it is preferable to use a synthetic resin, more preferably an epoxy resin.
  • an epoxy resin For example, if the texture has been embossed into the metal foil, it can then be poured and stabilized with epoxy resin. This epoxy resin must not soften during the lamination process, so that the texture is preserved.
  • the epoxy resin can be cured by means of temperature and / or UV radiation.
  • this layer should also be optically transparent in the range from 300 nm to 1000 nm ( ⁇ ⁇ 3 ⁇ 10 -3 / cm) and have a refractive index which is greater than the refractive index of the front glass used Range preferably> 1.4, more preferably> 1.6
  • the insulator layer has interruptions at the contact points between the metal foil in the composite system and the PV cells
  • the insulator layer is applied in the form of a coating on the metal foil This can be done, for example, by PVD or sol-gel processes, with the advantage of these types of coatings being optimized properties and low and defined layer thicknesses.
  • the metal foil is trimmed in the transport direction during the joining.
  • this can be done by means of a laser process.
  • the composite system can already be produced in the desired shape and size.
  • the composite system thus produced can be connected to the PV cells in a process, for example lamination or compression, so that an interconnection of the cells to the module is produced (stringency).
  • a connection to the outside is made via the carrier film and the module is finished so that it is protected against environmental influences.
  • additional electrical connections between the composite system and the PV cells are produced during the lamination process in a process step, preferably by means of soldering particularly preferably using low-melting solder; the module closed at the back; applied a coverslip and / or accomplished the embedding of the PV cells.
  • the subject matter of the invention is the use of the composite system according to the invention for rear-side contacting of wafer cell modules.
  • Wafer cells in which both contacts lie on one side are placed with these contacts on the interconnect structures and connected to these.
  • the compound can be made during lamination by simultaneously making the electrical cell connections in this process step.
  • Several wafer cells can thus be connected to individual strands and finally combined by busbars into a larger unit in a wafer cell module.
  • the contact between the cells and the corresponding printed conductor structure cut into the metal foil is produced either by purely mechanical contacting, by pressing or by the curing of an electrically conductive adhesive.
  • electrical connections are simultaneously produced by soldering, preferably by means of low-melting solder.
  • the use of the described composite system for the production of thin-film cell modules is the subject of the present invention.
  • the insulating layer is opened at the longitudinal sides of the module edges for contacting the metal foil. This must contact the active layer in segments or over the entire length of the module at the module edges.
  • the metal foil is divided longitudinally into two parts, so that a conductor track structure is formed, which also serves as busbars. These two reflector strips are electrically insulated from the surface by the insulating layer the active layer isolated. Due to the lack of insulation layer at the edges of the thin-film cell module, the carrier film must compensate for this difference in thickness. This ensures that the module covers can be firmly connected to the composite system and no moisture penetrates into the module.
  • the carrier film forms the rear module termination as protection against environmental influences.
  • the carrier film enters into a mechanically strong connection with a rear module cover, which may for example consist of a glass plate or of another additional plastic film.
  • the use of the composite system according to the invention has several advantages over the prior art. On the one hand, the material costs are reduced. The tapes for the bus bases and for the detection within the wafer cell modules are eliminated. Likewise, no reflector color is used in the case of the thin-film modules. No expensive printed circuit boards need to be used, and fewer components are processed overall.
  • PV modules have a number of better features Conductors as reflectors in wafer cell modules, or better reflection within the thin-film modules, the efficiency is increased. The lifetime of the modules is increased because copper is no longer used. Since the modules are made up of fewer components, overall better reliability and lower costs are achieved.
  • Another advantage is the achievable increase in efficiency that results from the reuse of unused radiation, reduction of the ohmic losses by appropriate design of the metal layer (material and cross-section).
  • FIG. 1 shows a schematic cross section through the composite system according to the invention for photovoltaic applications
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a possible embodiment of a cell interconnection in wafer cell modules
  • 3 shows a schematic cross section through the composite system according to the invention for the rear-side contacting of wafer cell modules;
  • FIG. 5 shows a schematic cross section through a possible layer structure of the composite system according to the invention for thin-film modules.
  • Fig. 1 shows a schematic cross section through the composite system according to the invention for photovoltaic applications.
  • a so-called carrier film 2 for example of polyvinyl butyral (PVB) carries the other functional layers and establishes the connection to the closure of the module against environmental influences.
  • a metal foil 3 is adhesively applied, the example is made of tin and has a thickness of about 5 microns and a conductor track structure (Fig. 2).
  • This layer is used for the Verstringung of the cells and is used as a busbar, but at the same time works as a reflector.
  • an insulating layer 4 is applied, which isolates the metal foil 3 from the cell.
  • the active layer 5 such as a wafer or thin-film cell
  • the insulation layer 4 must have interruptions at the points where the electrical contacts are to be made (not shown in this figure).
  • the light 7 is incident on the active layer 5, and the part of the light passing through the active layer 5 is reflected back by the metal foil 3 to get back into the active layer 5.
  • FIG. 2 shows a schematic representation of a possible embodiment of a cell interconnection (Verstringung) 15 in wafer cell modules.
  • the conductor tracks are cut from the metal foil and provided, for example, with an electrically conductive adhesive.
  • the wafer cells 8, where both contacts (+/-) located on the same side, are placed on these tracks and connected in the lamination with the composite system according to the invention. This creates the Verstringung 15 of the wafer cells 8 with the composite system, and the module is completed to the outside.
  • FIG. 3 shows a schematic cross section through the composite system according to the invention for the rear-side contacting of wafer cell modules.
  • Both the front contacts 9 and the rear contacts 14 are located on the underside of the wafer cell 8.
  • an electrical connection 10 can be made for example via a conductive adhesive.
  • the insulation layer 1 1 is interrupted at the contact points, so that the contacts of the wafer cells 9, 14 can make a connection to the reflective strip conductors 12, which are applied to the carrier film 13.
  • the light penetrates through the wafer cell 8, it is reflected on the conductor tracks 12, so that it again enters the wafer cell to allow a higher energy yield.
  • 4 represents an overview of a composite system for "separate reflector and back contact" thin-film modules.
  • the metal foil is divided along the middle of the module into two parts which serve as busbars and additionally form a textured reflector 18 both reflector strips are electrically isolated from the active layer by the insulating layer on the surface, in this case a thin layer internal junction cell 16. At the edges of the active layer, the insulating layer is removed so that the current collection module can be contacted there 17. Thus, the reflector layers function as busbars.
  • the carrier foil 2 has to compensate for the existing thickness difference due to the missing insulating layer 4 at the module edges.
  • the composite system can be firmly connected to the two glass plates, which form the front 6 and back 1 of the module. This ensures that no moisture can penetrate into the module.
  • the light 7 thus penetrates through the front glass 6 and the active layer 5 and is subsequently reflected (diffusely) on the metal foil 3 and returns to the active layer in order to allow a higher energy yield.

Landscapes

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundsystem für Photovoltaik (PV)-Module. Das Verbundsystem besteht aus einer Trägerfolie, einer Metallfolie, welche auf die Trägerfolie aufgebracht ist und einer Isolationsschicht, welche auf die Metallfolie aufgebracht wird. Mit unterschiedlichen Verbindungstechniken können dann verschiedene Photovoltaik (PV)-Zellen auf dem Verbundsystem befestigt und durch dieses elektrisch verschaltet werden. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Verbundsystems für PV-Module, sowie die Verwendung des Verbundsystems zur Rückseitenkontaktierung von Waferzellen, die beide Kontakte auf der gleichen Seite haben und mit diesen Kontakten auf Leiterbahnstrukturen gesetzt werden, welche diese zu einem Modul verschalten und die Verwendung des Verbundsystems für Module aus intern verschalteten Dünnschichtzellen.

Description

Verbundsystem für Photovoltaik-Module
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verbundsystem für Photovoltaik (PV)- Module. Das Verbundsystem besteht aus einer Trägerfolie, einer Metallfolie, welche auf die Trägerfolie aufgebracht ist und einer Isolationsschicht, welche auf die Metallfolie aufgebracht wird. Mit unterschiedlichen Verbindungstechniken können dann verschiedene Photovoltaik (PV)-Zellen auf dem Verbundsystem befestigt und durch dieses elektrisch verschaltet werden. Zudem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung des Verbundsystems für PV-Module, sowie die Verwendung des Verbundsystems zur Rückseiten- kontaktierung von Waferzellen, die beide Kontakte auf der gleichen Seite haben und mit diesen Kontakten auf Leiterbahnstrukturen gesetzt werden, welche diese zu einem Modul verschalten und die Verwendung des Verbundsystems für Module aus intern verschalteten Dünnschichtzellen.
Ein PV-Modul wandelt Sonnenlicht direkt in elektrische Energie um und enthält als wichtigsten Bestandteil mehrere PV-Zellen (bis zu 160 Zellen), die miteinander verschaltet sind. Die Zellen werden hierfür mittels unterschiedlicher Materia- lien zu einem Verbund zusammengefasst, der mehrere Zwecke erfüllt: Der Verbund bildet eine transparente, strahlungs- und witterungsbeständige Abdeckung und liefert durch die entsprechende Verpackung robuste elektrische Anschlüsse. Die spröden PV-Zellen und elektrischen Verbindungen werden sowohl vor mechanischen Einflüssen als auch vor Feuchtigkeit geschützt. Zusätzlich er- laubt die Verpackung der PV-Zellen eine ausreichende Kühlung derselben. Die elektrischen Bauteile werden vor Zugriffen geschützt und die Module können besser gehandhabt und befestigt werden. Es gibt verschiedenste Bauformen von PV-Modulen mit unterschiedlichen Arten von PV-Zellen. In der Regel besitzen PV-Module eine Glasplatte auf der zur Sonne gewandten Seite (Frontseite), wobei meist ein sogenanntes Einscheiben-Sicherheits-Glas (ESG) verwendet wird. Über eine transparente Kunststoffschicht, wie beispielsweise Ethylenvinylacetat (EVA) oder Silikongummi, ist diese in der Regel mit den Zellen verbunden. In diese Kunststoffschicht sind die PV-Zellen eingebettet, die durch Lötbändchen elektrisch miteinander verschaltet sind. Auf der R ü c k s e i t e w e r d e n d i e M o d u l e m i t e i n e r w i tterungsfesten Kunststoffverbundsfolie, beispielsweise aus Polyvinylfluorid oder Polyester, oder einer weiteren Glasscheibe, abgeschlossen. Bei der Fertigung von PV- Modulen werden diese in der Regel bei etwa 1500C laminiert. Beim Laminieren bildet sich aus der bis dahin milchigen EVA-Folie eine klare, dreidimensional vernetzte und nicht mehr aufschmelzbare Kunststoffschicht, in der die PV- Zellen eingebettet sind und die fest mit der Glasscheibe und der Rückseitenfolie verbunden ist.
Mono- und mehrkristalline PV-Zellen werden aus sogenannten Wafern (einkristalline oder mehrkristalline Siliziumscheiben) hergestellt, wie sie in gleicher oder ähnlicher Form auch für die Halbleiterherstellung verwendet werden. Diese Siliziumzellen weisen großtechnisch einen Wirkungsgrad von bis zu 20% oder mehr und eine Leistungsdichte von 20 - 50 W/kg auf. Mehrere dieser Zellen werden in einem PV-Modul mittels Lötbändchen zu einzelnen Strängen (sogenannte Strings) in Serie geschaltet, bis die richtige Ausgangsspannung erreicht ist. Mehrere solcher Zellgruppen werden daraufhin parallel geschaltet, um deren Ausgangsströme zu addieren und zu den Modulanschlüssen zu führen. Die dazu verwendeten Leitungen werden als Busbars bezeichnet. Für die Versthngung der Zellen muss jeweils die Vorderseite einer Zelle (z.B. Minuspol) mit der Rückseite der nächsten Zelle (Pluspol) verbunden werden, wozu häufig verzinnte Kupferbändchen eingesetzt werden.
Da die Verbindung der Frontseite einer Zelle mit der Rückseite der jeweiligen Nachbarzelle aufwendig und schwer zu automatisieren ist, wird verstärkt an der Rückseitenkontaktierung gearbeitet. Insbesondere, wenn aus Gründen der Kosteneinsparung immer dünnere Wafer verwendet werden, sind diese aufgrund der erhöhten Bruchgefahr schwieriger zu handhaben. Zudem schatten die über die Frontseite verlaufenden Anschlussbändchen einen Teil des Lichts ab, der damit nicht zur Stromerzeugung genutzt werden kann, so dass der Wirkungsgrad der Zellen und des gesamten Moduls sinkt. Ein Ansatz, um zusätzlich die optischen Verluste, die durch die zur Verstringung benötigten Bändchen entstehen, zu reduzieren, ist in der US 2007/0125415 A1 beschrieben. Hierbei werden sogenannte„Light Harvesting Strings" eingesetzt, genauer gesagt Bändchen, welche das Licht, das an der Vorderseite die Kontaktierung erreicht, also abgeschattet würde, unter einem Winkel so zurückreflektieren, dass es an der Oberseite des Deckglases in die Zelle reflektiert wird. Allerdings sind solche Bändchen teuer, da sie eine Silberoberfläche aufweisen und schwierig mit den Zellen zu verbinden sind, ohne dass die zur Reflexion benötigte Oberflächenstruktur zerstört wird. Bei der Rückseitenkontaktierung wird der Frontkontakt durch entsprechende Auslegung der Zelle auf die Rückseite geführt, so dass beide Kontakte (+/-) auf der gleichen Seite zugänglich sind. Damit können bei der Modulherstellung sogenannte„Pick-und-Place"-Techniken angewandt werden, bei denen die Zellen automatisch auf die Kontaktstruktur einer gedruckten Schaltung (Leiterplatte) platziert werden können und mit dieser über Löt-, Steck- oder Klebeverbindungen verbunden werden können. Ein solches PV- Modul mit Rückseitenkontakt ist beispielsweise in der EP 1 449 261 B 1 beschrieben. Die Kontaktierung erfolgt nur noch von einer Seite, was die Handhabung vereinfacht und gleichzeitig die Abschattung durch das Bändchen beseitigt.
Die Leiterplatten, die hinter jeder Zelle angeordnet sind, verleihen den Wafern zusätzlich Stabilität, was sich insbesondere bei dünnen Wafern vorteilhaft auswirkt. Allerdings sind solche Leiterplatten teuer und müssen wiederum miteinander verbunden werden, was entweder die Verbindungen einzelner Leiter- platten notwendig macht oder sehr große Leiterplatten (in Modulgröße) voraussetzt, die entsprechend aufwendig zu fertigen sind. Außerdem bestehen diese Waferzellen-Module aus vielen unterschiedlichen Komponenten, die in jeweils einzelnen Arbeitsschritten verarbeitet werden müssen, was aufwendig und kostenintensiv ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demnach, die genannten Nachteile des Standes der Technik zu überwinden, und einen einfacheren und kostengünstigeren Aufbau von Waferzellen-Modulen, insbesondere bei immer dünneren Waferzellen, zu erlauben. Mit der Verwendung von immer dünneren Wafern ist jedoch davon auszugehen, dass ein Teil des Lichtes nicht mehr im Wafer absorbiert wird, sondern durch diesen dringt. Es ist daher wünschenswert, dieses Licht wieder in die Zelle zurückzureflektieren, wo ein weiterer Teil absorbiert werden kann. Im Gegensatz zu den mono- und mehrkristallinen PV-Zellen (Waferzellen) bestehen sogenannte Dünnschichtzellen meist aus einer dünnen Halbleiterschicht aus amorphem und/oder mikrokristallinem Silizium (a-Si bzw. μ-Si), aber auch Cadmium Tellurid (CdTe), Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) oder andere Materialien. Der Modulwirkungsgrad von Dünnschichtmodulen beträgt aufgrund der reduzierten Dicke der Silizium- bzw. Halbleiterschicht zwischen 5 und 7% und die Leistungsdichte beträgt bis etwa 2000 W/kg. Mittels der Kombination von amorphem mit kristallinem Silizium, wie beispielsweise mikrokristallinem Silizium, können durch eine bessere Ausnutzung des Lichtspektrums höhere Wirkungsgrade von bis zu 10% erreicht werden. Bei der Herstellung von Dünn- schichtmodulen wird die aktive Halbleiterschicht, typischerweise amorphes und/oder mikrokristallines Silizium, mit speziellen Beschichtungsprozessen auf eine Glasplatte oder auf einen flexiblen Träger, typischerweise Stahl- oder Kupferbänder, aufgebracht. Ein Vorteil bei der Herstellung von Modulen in Dünnschichttechnologie ist die einfache Verschaltung der Zellen. Nach der Beschich- tung mit dem aktiven Material wird diese mittels spezieller Laserprozesse in Zellen unterteilt, die miteinander verstringt sind. Die externe Versthngung mittels Bändchen, wie sie in Waferzellen-Modulen benutzt wird, entfällt somit. Zur Stromabnahme werden jedoch weiterhin Bändchen für die so genannten Busbars zur Ableitung des erzeugten Stroms verwendet. Silizium-Dünnschicht PV-Zellen sind beispielsweise in DE 44 10 220 B4 und DE 10 2006 044 545 A1 beschrieben.
Die am häufigsten eingesetzten Dünnschichtzellen-Modultypen bestehen aus einer (antireflexbeschichteten) Glasplatte, auf weiche eine elektrisch leitende und optisch transparente Schicht aufgetragen wird (Transparent Conductive Oxide - TCO, meist Zinkoxid). Diese Schicht bildet den Frontkontakt und wird mittels Laser strukturiert, um die Zellenaufteilung zu erreichen. Darauf wird eine aktive Schicht, beispielsweise Silizium aufgetragen und auf diese der Rücksei- tenkontakt und ein Reflektor, da das Licht mehrmals durch die dünne aktive Schicht (1 -2 μm) geleitet werden muss, um genügend absorbiert zu werden. Dahinter wird das Modul abgeschlossen und gegen Umwelteinflüsse geschützt. Der Rückseitenreflektor kann hierbei aus einer Metallbeschichtung bestehen, dessen raue Textur eine diffuse Reflexion ermöglicht und gleichzeitig als Leiter dient, welcher für die Verstringung der Zellen zuständig ist (integrierter Rückkontakt und Reflektor); oder der Reflektor wird in Form weißer Farbe aufgetragen, welche diffus reflektiert. In diesem Fall ist zwischen der aktiven Schicht und der weißen Farbe ein optisch transparenter Leiter für die Verstringung not- wendig, in der Regel TCO.
Bei Dünnschichtmodulen mit integriertem Rückkontakt und Reflektor ist von Nachteil, dass die Eigenschaften von Reflektor und Kontakt nicht getrennt optimiert werden können. Wird beispielsweise die Textur der entsprechenden Schicht verstärkt, verbessern sich zwar die diffusen Reflexionseigenschaften, gleichzeitig vergrößert sich jedoch der elektrische Widerstand. Des Weiteren kann die Textur über die Einstellung der Beschichtungsprozesse nur eingeschränkt kontrolliert werden. Außerdem wirkt sich die Metallschicht störend auf den Laserprozess aus, mit dem das Modul in Zellen unterteilt wird. Unkontrol- liert auftretende Metallspritzer können Kurzschlüsse auslösen, die Teile des Moduls zerstören können. Die zum Abschluss des Moduls eingesetzten Kunststoffe sind teuer und schwierig zu verarbeiten. Dünnschichtmodule mit getrenntem Reflektor und Rückkontakt sind demnach einfacher herzustellen. Die als Reflektor eingesetzte Farbe bringt jedoch Nachteile mit sich, da die zu errei- chenden Reflexionswerte über einen größeren Wellenlängenbereich ungenügend sind. Dies wirkt sich besonders nachteilig aus, wenn Zellen/Module realisiert werden sollen, die aus mehreren aktiven Schichten bestehen und zusammen einen breiteren Wellenlängenbereich abdecken, um den gesamten Wirkungsgrad des Moduls zu vergrößern.
Bei beiden Varianten von Dünnschichtmodulen müssen beidseitig entlang der Längsrichtung des Moduls Busbars in Form von Bändchen angebracht werden. Aufgrund der Länge der Bändchen und deren inhärenten Säbeligkeit ist dieses aufwendig und teuer. Als weiterer Nachteil stellt sich zunehmend der Aufbau der Bändchen aus zinnbeschichtetem Kupfer heraus. Wenn die Zinnschicht verletzt ist oder vollständig fehlt, kann von der freigelegten Kupferoberfläche Korrosion ausgehen, die die Lebensdauer des Moduls reduziert. Die Module be- stehen insgesamt aus vielen Komponenten, die in mehreren Arbeitsschritten verarbeitet werden müssen, was kostenintensiv, aufwendig und fehleranfällig ist. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist demnach zusätzlich, einen einfacheren und kostengünstigeren Aufbau von Dünnschichtmodulen zu erlauben. Gelöst wird die Aufgabe durch das erfindungsgemäße Verbundsystem, dem Verfahren zur Herstellung eines solchen Verbundsystems, sowie deren Verwendung für unterschiedliche PV-Module. Dieses Verbundsystem erfüllt mehrere Funktionen, die für die Zusammenschaltung und den Anschluss von Photo- voltaik-Zellen und -Modulen sowie zum Abschluss der Module und deren Schutz vor Umwelteinflüssen notwendig sind. Hierbei wird in den Zellen nicht absorbierte Strahlung in diese zurückreflektiert, so dass sie wiederverwertet werden kann. Das erfindungsgemäße Verbundsystem erlaubt so eine einfache und kostengünstige Produktion von Photovoltaikmodulen und eine Verbesserung der Effizienz und Zuverlässigkeit. Das vorgeschlagene Verbundsystem eignet sich somit sowohl für die Rückkontaktierung von Waferzellen-Modulen als auch für Dünnschichtzellenmodule. Die Ausbildung, Strukturierung und Kon- taktierung des Leiters bestimmt letztendlich, für welche Anwendung das Verbundsystem eingesetzt wird. Das Verbundsystem für Photovoltaik-Anwendungen besteht aus einer Trägerfolie, mit Hilfe welcher das Modul gegen Umwelteinflüsse verschlossen wird und die weiteren Funktionsschichten trägt. Auf die Trägerfolie ist eine Metallfolie aufgebracht, die entsprechend strukturiert zur Verstringung der Zellen und als Busbar genutzt wird (elektrische Funktion) und gleichzeitig eine optische Funk- tion ausführt, indem sie als Reflektor dient. Die Metallfolie ist derart ausgestaltet, dass diese mit einer Oberflächentextur versehen ist. Eine Isolationsschicht wird haftend auf die Metallfolie aufgebracht und isoliert die Zelle elektrisch von der Metallfolie. An den Kontaktstellen wird diese Schicht entfernt. Dies kann durch mechanische Abtragung oder eine Abtragung mittels Laser geschehen. Die Isolationsschicht ist außerdem mit einem Verbindungsmittel versehen. Dies erleichtert das Fixieren von Zellen auf dem Folienverbund. Das Licht, welches durch die aktive Schicht dringt, wird zur Metallfolie durchgelassen, so dass es von dieser zurück in die aktive Schicht reflektiert wird.
Mittels unterschiedlicher Verbindungstechniken kann das Verbundsystem mit den PV-Zellen stabil verbunden werden. In einer vorteilhaften Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verbundsystems wird dieses mit Hilfe eines elekt- risch leitenden Klebers mit den Zellen verbunden. In einer alternativen Ausgestaltung wird diese Verbindung mechanisch durch Verpressen oder durch Laserbearbeitung hergestellt.
Alternativ ist es ebenfalls möglich, dass während der Lamination gleichzeitig elektrische Verbindungen durch Löten hergestellt werden, vorzugsweise mittels tiefschmelzendem Lot.
Bei dem Verbindungsmittel auf der Isolationsschicht kann es sich um einen Kleber handeln. Alternativ ist es ebenfalls möglich, dass die Isolationsschicht selbst haftend ausgestattet ist. Dies hat den Vorteil, dass die Handhabung der Zellen erheblich erleichtert wird. Es ist somit möglich, die Photovoltaik-Zellen bereits haftend auf dem Folienverbund zu fixieren, bevor diese in den Laminator gelangen. Durch den Vorgang der Lamination werden diese dann endgültig mit dem Folienverbund verbunden.
Die Trägerfolie besteht vorzugsweise aus Polyvinylbutyral (PVB), Polyvinyl- fluorid, Ethylenvinylacetat (EVA) oder einem Kunststoff mit vergleichbaren thermischen und physikalischen Eigenschaften. In einer alternativen Ausgestaltungsform besteht die Trägerfolie vorzugweise aus Polyethylenterephthalat in Form von biaxial orientiertem Polyester (boPET) oder aus Verbünden von verschiedenen Materialien. Dadurch wird dem Verbundsystem zusätzliche mechanische Stabilität verliehen. Alternativ kann auch eine Schichtdicke von 25 μm bis 100 μm besonders bevorzugt, 40 μm bis 80 μm verwendet werden, um die Leitfähigkeit zu verbessern und die ohmschen Verluste im Modul zu reduzieren. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform ist die Trägerfolie auf der Rückseite beschichtet, vorzugsweise mit Aluminium. Dies ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn die Trägerfolie den Modulabschluss bildet.
Die Metallfolie, welche auf die Trägerfolie haftend aufgebracht wird besteht vor- zugsweise aus Zinn oder einer Zinnlegierung, oder einer plattierten Zinnfolie. Es ist ebenfalls möglich, hierfür Kupfer, Aluminium oder Silber einzusetzen. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Metallfolie eine Dicke von mindestens 5 μm auf, vorzugsweise 5-25 μm und besonders bevorzugt 10- 20 μm.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung ist die Metallfolie mit einer Schicht versehen, die die Reflexion erhöht. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um eine mit einer Silberoberfläche beschichte Zinnfolie oder mit Siliziumdioxid und/oder Titandioxid beschichtetes Aluminium. Diese Schicht ermöglicht eine besonders effiziente Reflexion des Lichts, das durch die aktive Schicht dringt. Diese Schicht sollte eine Reflexion von > 80% im Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1000 nm aufweisen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist die Metallfolie mit einer Ober- flächentextur versehen. Diese stellt sicher, dass das Licht so zurückreflektiert wird, dass ein möglichst effektives„Light Trapping" erzielt wird. Die Oberflächentextur besteht vorzugsweise aus dreidimensionalen, regelmäßigen oder unregelmäßigen Strukturen. Besonders bevorzugt besteht die Oberflächentextur der Metallfolie aus Pyramiden oder Halbkugeln. Hierbei ist es von Vorteil, wenn die Oberflächentextur und/oder die Pyramiden oder Halbkugeln eine Höhe von 1 -20 μm, vorzugsweise 5-15 μm, besonders bevorzugt 5-10 μm aufweist. Es ist weiterhin von Vorteil, wenn die Oberflächentextur und/oder die Pyramiden oder Halbkugeln eine zufällige Höhenverteilung von 1 -20 μm, vor- zugsweise 5-15 μm, besonders bevorzugt 5-10 μm aufweisen. In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform besteht die Oberflächentextur aus Pyramiden der bevorzugten Größe mit einem Scheitelwinkel von < 160°, vorzugsweise < 140°. In einer weiteren alternativen Ausgestaltung besteht die Oberflächentextur der Metallfolie aus Pyramiden oder Halbkugeln, die eine charakteristische Größe von höchstens 1000 nm aufweisen. Es ist weiterhin bevorzugt, wenn die Oberflächentextur und/oder die Pyramiden oder Halbkugeln eine zufällige Höhenverteilung von 10-1000 nm, vorzugsweise 100-1000 nm aufweisen.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung besteht die Isolationsschicht, welche haftend auf die Metallfolie aufgebracht ist, aus einem optisch transparenten und elektrisch isolierenden Material. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um einen geeigneten Kunststoff oder ein Kunst- harz. Bei dem Kunstharz handelt es sich vorzugsweise um ein Epoxid-Harz. Optional kann diese Schicht auch mit einem physikalische Gasabscheidungs (PVD)-Verfahren oder mit einem SoI-GeI Verfahren auf der Metallfolie aufgebracht werden. Diese Schicht soll die Metallschicht elektrisch von der Zelle isolieren und eine gewisse Durchschlagsfestigkeit aufweisen. Zusätzlich soll diese Schicht aber auch im Bereich von 400 nm bis 1000 nm optisch transparent sein (Absorptionskoeffizient α<3*10"3/cm). Zudem sollte die Isolationsschicht im erwähnten Wellenlängenbereich einen Brechungsindex aufweisen, der größer ist als der Brechungsindex des als Eintrittsfenster verwendeten Glases. Der Brechungsindex beträgt in diesem Bereich vorzugsweise > 1 ,4, besonders bevor- zugt > 1 ,6. An den Kontaktierungsstellen ist die Isolationsschicht unterbrochen, damit elektrische Kontakte zwischen der Metallschicht innerhalb des Verbundsystems und der PV-Zellen hergestellt werden können.
In einer alternativen Ausgestaltungsform weist die Isolationsschicht einen Bre- chungsindex auf, der kleiner oder gleich dem Brechungsindex des als Eintrittsfenster verwendeten Glases ist. Diese Ausgestaltung kann bevorzugt sein, wenn der Beitrag der Verbundfolie zum Licht-Einfangen nicht entscheidend ist. Vorzugsweise handelt es sich bei dem geeigneten Kunststoff, der für die Isola- tionsschicht verwendet wird, um PVB. Dieses Material hat den Vorteil, dass g l e i chze itig e i n e H aftu ng d er Fo l ie a uf d en Zel l en wä h rend d es Laminationsprozesses bzw. des vorgeschalteten Montageprozesses der Zelle erreicht wird. Letzteres kann besonders vorteilhaft sein, da dadurch der Trans- port des assemblierten und montierten Moduls in den Laminator vereinfacht wi rd u nd verh i nd e rt wi rd , d a ss s i ch Kom pon en ten wä h rend d es Laminationsprozesses verschieben. Dazu kann das Foliensystem während des Montageprozesses der Zelle (Pick- und Place) erwärmt werden, so dass das PVB haftend wird und die Zelle fixiert.
Das Verfahren zur Herstellung eines Verbundsystems für PV-Module beinhaltet die folgenden Verfahrensschritte: Eine vorzugsweise textuherte Metallfolie wird mit einer Trägerfolie durch eine haftende Verbindung zusammengefügt. Danach wird die Metallfolie beispielsweise mittels eines Laserprozesses lokal abgetra- gen und somit derart strukturiert, dass die für die Busbars und/oder die Versthngung benötigte Leiterbahnstruktur entsteht. Anschließend werden diese zusammengefügten Schichten mit der Isolationsschicht verbunden; und die Isolationsschicht wird an bestimmten Stellen geöffnet, um die elektrischen Kontakte herzustellen. Aus Gründen des Oberflächenschutzes kann es vorzuziehen sein, die Kontaktöffnungen erst kurz vor dem Laminieren vorzunehmen. Abhängig von der Strukturierung der Metallfolie eignet sich das Verbundsystem für die Herstellung von Waferzellen oder Dünnschichtzellen. Das Verbinden der einzelnen Folien erfolgt bevorzugt durch Kaschur oder durch die haftende Eigenschaften der Folie selbst. Alternativ ist es ebenfalls möglich, zunächst die Me- tallfolie mit der Isolationsschicht zu verbinden und anschließend diese Schichten mit der Trägerfolie zu verbinden.
Als letztes wird ein Verbindungsmittel auf die Kontaktierungsöffnungen aufgetragen. Vorzugsweise handelt es sich bei dem Verbindungsmittel um einen thermisch aushärtenden, elektrisch leitenden Kleber, so dass die elektrischen Verbindungen zu den PV-Zellen während des Laminierungsprozesses hergestellt werden können. Alternativ kann die elektrische Verbindung zwischen dem Verbundsystem und Wafer- bzw. Dünnschichtzellen über einen Laserlötprozess erfolgen. In diesem Falle ist allerdings ein zusätzlicher Arbeitsgang zur Verarbeitung notwendig. Eine weitere Alternative der elektrischen Verbindung ist das mechanische Verpressen des Verbundsystems mit den Kontaktierungsöffnun- gen.
Für den Fall, dass das Verbundsystem für die Rückseitenkontaktierung von Waferzellen-Modulen eingesetzt wird, führt dies zu einer starken Kostenmini- mierung, da keine teuren Leiterplatten eingesetzt werden brauchen. Zudem werden die Reflektoren direkt in die Leiterstruktur integriert, was die Verwen- düng dünnerer Wafer erlaubt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Verbundsystems für PV-Module wird vor dem Verbinden von Trägerfolie und Metallfolie die gewünschte Reflektortextur in die Me- tallfolie geprägt. In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung wird die Reflektortextur in die mit der Metallfolie verbundene Trägerfolie geprägt, oder von einer geprägten Isolationsschicht bei dem Verbinden auf die Metallfolie übertragen. Diese Textur stellt sicher, dass das Licht so zurückreflektiert wird, dass möglichst viel Licht in die PV-ZeIIe zurückgeführt und dort absorbiert wird („Light Trapping").
Die Metallschicht kann in einer weiteren alternativen Ausgestaltungsform perforiert sein, so dass eine bessere Haftung zu den benachbarten Schichten hergestellt werden kann.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung wird als Trägerfolie vorzugsweise Polyvinylbutyral (PVB) eingesetzt, welches in der Herstellung von Verbundgläsern verwendet wird, und mit welchem viel Anwendungserfahrung besteht. Zudem wird PVB bereits heute bereits in Modulen eingesetzt, so dass die für die Verwendung des Verbundsystems notwendigen Prozessanpassungen für den Modulhersteller weniger einschneidend ausfallen. Als Material für die Isolationsschicht wird vorzugsweise ein Kunstharz, besonders bevorzugt ein Epoxid-Harz verwendet. Wenn beispielsweise die Textur in die Metallfolie geprägt wurde, kann diese daraufhin mit Epoxid-Harz ausgegossen und stabilisiert werden. Dieses Epoxid-Harz darf im Laminationsprozess nicht wieder weich werden, damit die Textur erhalten bleibt. Das Epoxid-Harz kann mittels Temperatur und/oder UV-Strahlung ausgehärtet werden. Zusätzlich soll diese Schicht aber auch im Bereich von 300 nm bis 1000 nm optisch transparent sein (α<3*10"3/cm) und einen Brechungsindex aufweisen, der größer ist als der Brechungsindex des zur Anwendung gelangenden Frontglases. Der Brechungsindex beträgt in diesem Bereich vorzugsweise > 1 ,4, besonders bevorzugt > 1 ,6. An den Kontaktierungsstellen zwischen der Metallfolie im Verbundsystem und den PV-Zellen weist die Isolationsschicht Unterbrechungen auf. In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der Erfindung wird die Isolationsschicht in Form einer Beschichtung auf der Metallfolie aufgebracht. Dies kann beispielsweise durch PVD- oder SoI-GeI Prozesse erfolgen. Vorteil dieser Be- schichtungsarten sind optimierte Eigenschaften sowie geringe und definierte Schichtdicken.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird die Metallfolie in Transportrichtung während des Verbindens beschnitten. Vorzugsweise kann dies mittels eines Laserverfahrens erfolgen. Somit kann das Verbundsystem bereits in der gewünschten Form und Größe produ- ziert werden.
Das somit hergestellte Verbundsystem kann in einem Prozess, beispielsweise Lamination oder Verpressen mit den PV-Zellen verbunden werden, so dass eine Verschaltung der Zellen zum Modul entsteht (Verstringung). Zusätzlich wird über die Trägerfolie ein Anschluss nach außen hergestellt und das Modul wird so abgeschlossen, dass es vor Umwelteinflüssen geschützt ist. In einer alternativen Ausgestaltungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden während des Laminationsvorganges in einem Verfahrensschritt zusätzlich elektrische Verbindungen zwischen dem Verbundsystem und den PV- Zellen hergestellt, vorzugsweise mittels Löten besonders bevorzugt unter Ver- wendung von tiefschmelzendem Lot; das Modul nach hinten verschlossen; ein Deckglas aufgebracht und/oder die Einbettung der PV-Zellen bewerkstelligt.
Gegenstand der Erfindung ist zudem einerseits die Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundsystems zur Rückseitenkontaktierung von Waferzellen- Modulen. Waferzellen, bei welchen beide Kontakte auf einer Seite liegen, werden mit diesen Kontakten auf die Leiterbahnstrukturen gesetzt und mit diesen verbunden. Die Verbindung kann während der Lamination erfolgen, indem in diesem Verfahrensschritt gleichzeitig die elektrischen Zellenverbindungen hergestellt werden. Mehrere Waferzellen können somit zu einzelnen Strängen ver- bunden und schließlich durch Busbars zu einer größeren Einheit in einem Waferzellen-Modul zusammengefasst werden. Während des Laminationsvorganges wird der Kontakt zwischen den Zellen und der entsprechenden, in die Metallfolie geschnittenen Leiterbahnstruktur entweder durch rein mechanisches Kontaktieren, durch Verpressen oder durch die Aushärtung eines elekt- risch leitenden Klebers hergestellt.
Alternativ ist es ebenfalls möglich, dass während der Lamination gleichzeitig elektrische Verbindungen durch Löten hergestellt werden, vorzugsweise mittels tiefschmelzendem Lot.
Andererseits ist die Verwendung des beschriebenen Verbundsystems für die Herstellung von Dünnschichtzellenmodule Gegenstand der vorliegenden Erfindung. Hierfür wird die Isolationsschicht an den Längsseiten der Modulränder für die Kontaktierung der Metallfolie geöffnet. Diese muss die aktive Schicht in Segmenten oder über die gesamte Länge des Moduls an den Modulrändern kontaktieren. Die Metallfolie wird längsseitig in zwei Teile geteilt, so dass eine Leiterbahnstruktur entsteht, welche gleichzeitig als Busbars dient. Diese zwei Reflektorstreifen sind durch die Isolationsschicht auf der Fläche elektrisch von der aktiven Schicht isoliert. Aufgrund der fehlenden Isolationsschicht an den Rändern des Dünnschichtzellenmoduls muss die Trägerfolie diese Dickendifferenz ausgleichen. Somit ist gewährleistet, dass die Modulabdeckungen fest mit dem Verbundsystem verbunden werden können und keine Feuchtigkeit in das Modul eindringt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltungsform der Verwendung des erfindungsgemäßen Verbundsystems zur Rückseitenkontaktierung von Waferzellen- Modulen oder zur Herstellung von Dünnschichtzellenmodule bildet die Trägerfo- Ne den rückseitigen Modulabschluss als Schutz vor Umwelteinflüssen. Alternativ ist es möglich, dass die Trägerfolie eine mechanisch feste Verbindung mit einer rückseitigen Modulabdeckung eingeht, die beispielsweise aus einer Glasplatte oder aus einer weiteren zusätzlichen Kunststofffolie bestehen kann. Durch den Einsatz des erfindungsgemäßen Verbundsystems ergeben sich mehrere Vorteile gegenüber dem Stand der Technik. Zum Einen werden die Materialkosten reduziert. D ie Bändch en fü r d ie Busba rs u nd fü r d ie Versthngung innerhalb der Waferzellen-Module entfallen. Ebenso wird keine Reflektorfarbe im Fall der Dünnschichtmodule eingesetzt. Es müssen keine teu- ren Leiterplatten verwendet werden und insgesamt werden weniger Komponenten verarbeitet. Zum Anderen wird die Anzahl der Arbeitsschritte bei der Modulherstellung verringert. Das Herstellen der elektrischen Zellenverbindungen, das Kontaktieren und das Verschließen des Moduls können in einem Arbeitsgang durchgeführt werden. Die aufwendige Montage der Bändchen entfällt und die für Rückseitenkontaktierung vorgesehenen Waferzellen können direkt mit„Pick- und-Place"-Prozessen bestückt werden, da alle elektrischen Verbindungen in einer Ebene angeordnet sind. Ein weiterer Vorteil ergibt sich aus der Tatsache, dass das Verbundsystem, abhängig von der Strukturierung und Kontaktierung des Leiters, sowohl für Waferzellen als auch für Dünnschichtzellen eingesetzt werden kann. Dies bringt auch weitere Vorteile für Anlagen- und Modulhersteller mit sich, da beide Typen von Modulen hergestellt werden und somit viele Prozesse vereinheitlicht werden können. Die hergestellten PV-Module weisen schließlich eine Reihe besserer Eigenschaften auf. Durch die Verwendung der Leiterbahnen als Reflektoren bei Waferzellen-Modulen, beziehungsweise eine bessere Reflexion innerhalb der Dünnschichtmodule, wird die Effizienz gesteigert. Die Lebensdauer der Module wird erhöht, da kein Kupfer mehr verwendet wird. Da die Module aus weniger Komponenten aufgebaut sind, wird insgesamt eine bessere Zuverlässigkeit und geringere Kosten erreicht.
Ein weiterer Vorteil ist die erreichbare Effizienzsteigerung die sich ergibt durch die Wiederverwendung ungenutzter Strahlung, Verkleinerung der ohmschen Verluste durch entsprechende Gestaltung der Metallschicht (Material und Quer- schnitt).
Im Folgenden soll die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert werden, wobei sich die Erfindung selbstverständlich nicht auf die dargestellten Ausgestaltungen beschränkt. Dabei zeigen:
Fig. 1 : einen schematischen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Verbundsystem für Photovoltaik-Anwendungen;
Fig. 2: eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführungsform einer Zellenverschaltung bei Waferzellen-Modulen; Fig. 3: einen schematischen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Verbundsystem für die Rückseitenkontaktierung von Waferzellen-Modulen;
Fig. 4: eine Übersicht über ein Verbundsystem für Dünnschichtmodule des Typs „Getrennter Reflektor und Rückkontakt"; und
Fig. 5: einen schematischen Querschnitt durch eine mögliche Schichtstruktur des erfindungsgemäßen Verbundsystems für Dünnschichtmodule.
Fig. 1 zeigt einen schematischen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Verbundsystem für Photovoltaik-Anwendungen. Eine sogenannte Trägerfolie 2, beispielsweise aus Polyvinylbutyral (PVB) trägt die weiteren Funktionsschichten und stellt die Verbindung zum Verschluss des Moduls gegen Umwelteinflüsse her. Auf dieser Schicht ist eine Metallfolie 3 haftend aufgebracht, die beispiels- weise aus Zinn hergestellt ist und eine Dicke von über 5 μm und eine Leiterbahnstruktur aufweist (Fig. 2). Diese Schicht dient der Verstringung der Zellen und wird als Busbar genutzt, funktioniert jedoch gleichzeitig als Reflektor. Auf dieser Metallfolie ist eine Isolationsschicht 4 aufgebracht, die die Metallfolie 3 von der Zelle isoliert. Mit Hilfe beispielsweise eines Klebers ist die aktive Schicht 5, wie zum Beispiel eine Wafer- oder Dünnschichtzelle, mit der Isolationsschicht 4 verbunden. Die Isolationsschicht 4 muss an den Stellen, an denen die elektrischen Kontakte hergestellt werden sollen, Unterbrechungen aufweisen (in dieser Abbildung nicht dargestellt). Das Licht 7 fällt auf die aktive Schicht 5, und der Teil des Lichts, der durch die aktive Schicht 5 dringt, wird durch die Metallfolie 3 zurückreflektiert, um wieder in die aktive Schicht 5 zu gelangen.
Fig. 2 zeigt eine schematische Darstellung einer möglichen Ausführung einer Zellenverschaltung (Verstringung) 15 in Waferzellen-Modulen. Die Leiterbahnen werden aus der Metallfolie geschnitten und beispielsweise mit einem elektrisch leitenden Kleber versehen. Die Waferzellen 8, bei denen beide Kontakte (+/-) auf derselben Seite lokalisiert sind, werden auf diese Leiterbahnen gesetzt und bei der Lamination mit dem erfindungsgemäßen Verbundsystem verbunden. Dadurch entsteht die Verstringung 15 der Waferzellen 8 mit dem Verbundsystem, und das Modul wird nach außen hin abgeschlossen.
In Fig. 3 ist ein schematischen Querschnitt durch das erfindungsgemäße Verbundsystem für die Rückseitenkontaktierung von Waferzellen-Modulen darge- stellt. Sowohl die Frontkontakte 9 als auch die Rückkontakte 14 sind auf der Unterseite der Waferzelle 8 lokalisiert. Somit kann eine elektrische Verbindung 10 beispielsweise über einen Leitkleber hergestellt werden. An den Kontaktstellen ist die Isolationsschicht 1 1 unterbrochen, so dass die Kontakte der Waferzellen 9,14 eine Verbindung zu den reflektierenden Leiterbahnen 12 auf- nehmen können, die auf die Trägerfolie 13 aufgebracht sind. Wenn das Licht durch die Waferzelle 8 dringt, wird es an den Leiterbahnen 12 reflektiert, so dass es wieder in die Waferzelle gelangt, um eine höhere Energieausbeute zu ermöglichen. Fig. 4 stellt eine Übersicht über ein Verbundsystem für Dünnschichtmodule des Typs„Getrennter Reflektor und Rückkontakt" dar. Die Metallfolie wird hierbei längsseitig, entlang der Mitte des Moduls in zwei Teile geteilt, die als Busbars dienen und zusätzlich einen texturierten Reflektor 18 bilden. Diese beiden Reflektorstreifen sind durch die Isolationsschicht auf der Fläche elektrisch von der aktiven Schicht, in diesem Fall einer Dünnschichtzelle mit interner Versthngung 16, isoliert. An den Rändern der aktiven Schicht ist die Isolationsschicht entfernt, so dass dort das Modul zur Stromabnahme kontaktiert werden kann 17. Damit funktionieren die Reflektorschichten als Busbars.
Wie in Fig. 5 im Querschnitt dargestellt, muss die Trägerfolie 2 die bestehende Dickendifferenz aufgrund der fehlenden Isolationsschicht 4 an den Modulrändern ausgleichen. Somit kann das Verbundsystem fest mit den beiden Glasplat- ten, welche die Frontseite 6 beziehungsweise Rückseite 1 des Moduls bilden, verbunden werden. Dies stellt sicher, dass keine Feuchtigkeit in das Modul eindringen kann. Das Licht 7 dringt somit durch das Frontglas 6 und die aktive Schicht 5 und wird daraufhin an der Metallfolie 3 (diffus) reflektiert und gelangt wieder in die aktive Schicht, um eine höhere Energieausbeute zu ermöglichen.
Bezugszeichenliste:
I Rückseitenträger
2 Trägerfolie
3 Metallfolie
4 Optische transparente Isolationsschicht
5 Aktive Schicht
6 Frontglas
7 Lichteinfall
8 Waferzelle
9 Frontkontakt
10 Elektrische Verbindung
I 1 Isolationsschicht
12 Leiterbahnen
13 Trägerfolie
14 Rückkontakt
15 Versthngung
16 Dünnschichtzelle mit interner Versthngung 17 Verbindung Busbar-Reflektor mit Zelle
18 Texturierter Reflektor

Claims

Patentansprüche:
1. Verbundsystem für Photovoltaik-Anwendung bestehend aus:
- einer Trägerfolie (2),
- einer Metallfolie (3), welche auf die Trägerfolie (2) aufgebracht ist, und
- einer Isolationsschicht (4), welche auf die Metallfolie (3) aufgebracht ist dadurch gekennzeichnet,
- dass die Metallfolie (3) mit einer Oberflächentextur versehen ist, und - die Isolationsschicht (4) mit einem Verbindungsmittel versehen ist.
2. Verbundsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Verbindungsmittel auf der Isolationsschicht (4)
- um einen Kleber handelt; und/oder
- die Isolationsschicht haftend ausgestattet ist.
3. Verbundsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Isolationsschicht (4)
- aus einem transparenten und elektrisch isolierenden Material, vorzugs- weise einem Kunststoff oder einem Kunstharz, besonders bevorzugt einem Epoxid-Harz besteht, oder aus einer Sol-Gel-Schicht oder einer dielektrischen Schicht besteht, und/oder im Wellenlängenbereich von 400 nm bis 1000 nm einen Brechungsindex von > 1 ,6 aufweist, und/oder
- einen Brechungsindex aufweist, der kleiner als der oder gleich dem Bre- chungsindex des als Eintrittsfenster verwendeten Glases ist, und/oder
- wobei die Isolationsschicht (4) aus einem Kunststoff besteht, der haftende Eigenschaften aufweist, vorzugsweise aus Polyvinylbutyral (PVB).
4. Verbundsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeich- net, dass die Trägerfolie (2) - aus Polyvinylbutyral, Polyvinylfluorid, Ethylenvinylacetat oder einem Kunststoff mit vergleichbaren thermischen und physikalischen Eigenschaften besteht, oder
- aus Polyethylenterephthalat in Form von biaxial orientiertem Polyester (boPET) oder aus Verbünden von verschiedenen Materialien besteht, und/oder
- auf der Rückseite beschichtet ist, vorzugsweise mit Aluminium.
5. Verbundsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeich- net, dass die Metallfolie (3)
- aus Kupfer, Aluminium oder Silber, oder vorzugsweise aus Zinn oder einer Zinnlegierung, oder einer plattierten Zinnfolie besteht; und/oder
- eine Dicke von mehr als 5 μm, vorzugsweise 10 μm bis 20 μm aufweist; und/oder
- mit einer Schicht versehen ist, die die Reflexion erhöht, wobei es sich vorzugsweise um Siliziumdioxid und/oder Titandioxid handelt wobei die Schicht auf der Metallfolie (3) vorzugsweise eine Reflexion von > 80% im Wellenlängenbereich von 300 nm bis 1000 nm aufweist; und/oder
- mit einer Oberflächentextur versehen ist, die vorzugsweise aus dreidi- mensionalen, regelmäßigen oder unregelmäßigen Strukturen, besonders bevorzugt aus Pyramiden oder Halbkugeln besteht, wobei die Textur vorzugsweise eine Höhe von 5 μm bis 10 μm, besonders bevorzugt eine zufällige Höhenverteilung von 5 μm bis 10 μm aufweist und/oder aus Pyramiden mit einem Scheitelwinkel von < 140° besteht; und/oder
- mit einer Oberflächentextur versehen ist, die vorzugsweise aus dreidimensionalen, regelmäßigen oder unregelmäßigen Strukturen, bevorzugt aus Pyramiden oder Halbkugeln besteht, wobei die Textur vorzugsweise eine Höhe von höchstens 1000 nm aufweist, wobei die Oberflächentextur und/oder die Pyramiden oder Halbkugeln besonders bevorzugt eine zu- fällige Höhenverteilung von 10-1000 nm, vorzugsweise 100-1000 nm aufweisen.
6. Verfahren zur Herstellung eines Verbundsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für PV-Module beinhaltend folgende Verfahrensschritte:
- Herstellen einer Metallfolie (3),
- Verbinden einer Metallfolie (3) mit einer Trägerfolie (2) durch eine haftende Verbindung,
- Verbinden der Metallfolie (3) und Trägerfolie (2) mit einer Isolationsschicht (4) durch eine haftende Verbindung, und
- Öffnen der Isolationsschicht (4) für Kontaktierung.
7. Verfahren zur Herstellung eines Verbundsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für PV-Module beinhaltend folgende Verfahrensschritte:
- Herstellen einer Metallfolie (3),
- Verbinden einer Metallfolie (3) mit einer Isolationsschicht (4) durch eine haftende Verbindung,
- Verbinden der Metallfolie (3) und Isolationsschicht (4) mit einer Trägerfolie (2) durch eine haftende Verbindung, und
- Öffnen der Isolationsschicht (4) für Kontaktierung. 8. Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass
- während oder nach dem Verbinden der Metallfolie (3) und der Trägerfolie (2) eine Leiterbahnstruktur (12), vorzugsweise mittels eines Laserverfahrens in die Metallfolie (3) geschnitten wird; und/oder
- vor oder nach dem Verbinden der Trägerfolie (2) mit der Metallfolie (3) eine Reflektortextur in die Metallfolie (3) geprägt wird; oder
- die Isolationsschicht (4) auf der der Metallfolie (3) zugewandten Seite eine Reflektortextur aufweist, die bei dem Verbinden auf die Metallfolie (3) übertragen wird; und/oder
- die Metallfolie (3) perforiert wird; und/oder
- die Metallfolie (3) in Transportrichtung während des Verbindens mit der
Trägerfolie (2) beschnitten wird, vorzugsweise mittels eines Laserverfahrens; und/oder - die Trägerfolie (2) aus Polyvinylbutyral besteht; und/oder
- als Isolationsschicht (4) ein Kunstharz, vorzugsweise ein Epoxid-Harz eingesetzt wird, welches mittels Temperatur und/oder UV-Strahlung ausgehärtet wird; oder
- die Isolationsschicht (4) aus einer dielektrische Schicht besteht, welche mittels eines PVD-Verfahrens aufgebracht wird; und/oder
- zur Herstellung einer elektrischen Verbindung (10) zwischen dem Verbundsystem und den PV-Zellen (5,8) ein thermisch aushärtender, elektrisch leitender Kleber auf den Kontaktierungsöffnungen verwendet wird, oder über einen Laserlötprozess erfolgt; und/oder
- das Verbundsystem mit den PV-Zellen (5,8) durch Lamination oder Verpressen verbunden wird, so dass eine Verschaltung der PV-Zellen (5,
8) zum Modul entsteht.
9. Verfahren nach Anspruch 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass während des Laminationsvorganges in einem Verfahrensschritt zusätzlich
- elektrische Verbindungen (10) zwischen dem Verbundsystem und den PV-Zellen (5,8) hergestellt werden, vorzugsweise mittels Löten besonders bevorzugt unter Verwendung von tiefschmelzendem Lot;
- das Modul nach hinten verschlossen wird;
- ein Deckglas (6) aufgebracht wird und/oder
- die Einbettung der PV-Zellen (8) bewerkstelligt wird.
10. Verwendung eines Verbundsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 5 zur Rückseitenkontaktierung von Waferzellen-Modulen, dadurch gekennzeichnet, dass
- eine Waferzelle (8), die beide Kontakte (9,14) auf der gleichen Seite hat mit diesen Kontakten auf die Leiterbahnstruktur (12) gesetzt und mit dieser verbunden wird; und/oder - die Zelle während der Montage auf der Isolationsschicht haftet und so fixiert wird; und/oder
- die Trägerfolie (2) den rückseitigen Modulabschluss als Schutz vor Umwelteinflüssen bildet, wobei die Trägerfolie (2) vorzugsweise eine me- chanische feste Verbindung mit einer rückseitigen Modulabdeckung eingeht.
11. Verwendung eines Verbundsystems nach einem der Ansprüche 1 bis 5 für
Dünnschichtzellenmodule, dadurch gekennzeichnet, dass
- die Isolationsschicht (4) an den Längsseiten der Modulränder für die Kontak- tierung (17) der Metallfolie (3,18) geöffnet ist, und
- die Metallfolie (3,18) längsseitig in zwei Teile geteilt ist, und somit eine Leiterbahnstruktur entsteht, die als Busbars dient.
12. Verwendung eines Verbundsystems nach Anspruch 11 , dadurch gekennzeichnet, dass
- die Trägerfolie (2) die Dickendifferenz an den Modulrändern ausgleicht, die durch die fehlende Isolationsschicht an den Modulrändern des Dünn- schichtzellenmoduls hervorgerufen wird; und/oder
- die Metallfolie (3) die aktive Schicht (5) in Segmenten oder über die gesamte Länge des Moduls an den Modulrändern kontaktiert (17); und/oder
- die Trägerfolie (2) den rückseitigen Modulabschluss als Schutz vor Umwelteinflüssen bildet, wobei die Trägerfolie (2) vorzugsweise eine mechanische feste Verbindung mit einer rückseitigen Modulabdeckung ein- geht.
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