Rechteckige Solarzelle und zugehörige Solarzellen-Anordnung

Beschreibung

Technisches Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine rechteckige Solarzelle und zugehörige Solarzellen- Anordnung.

Dies beinhaftet die Formatierung von Silizium-Solarzellen und die Reihenschaltung solcher Solarzellen zu Solarzellenmodulen, um die elektrische Leistung mit einem Minimum an Verlusten nach außen zu bringen.

Bisheriger Stand der Technik

Solarzellen aus kristallinem Silizium sind scheibenförmige Halbleiterkörper in denen durch Einfall von Licht elektrische Gleichspannung entsteht. Um eine möglichst dichte Belegung größerer Flächen zu erreichen, sind die Scheiben meist quadratisch oder rechteckig. Bei manchen Typen von Solarzellen sind die Ecken der Scheiben herstellungsbedingt abgerundet. Übliche Größen der Scheiben sind 100 x 100 mm ² bis etwa 200 x 200 mm ² . Die Dicke beträgt meist zwischen 150 und 350 μηι, In der überwiegenden Mehrheit der heute produzierten Silizium-Solarzellen stellt die dem Licht zugewandte Seite der Scheibe die eine Polarität, und die vom Licht abgewandte Seite die andere Polarität dar. Mitteis metallischer Leiter, die in ohmschem Kontakt zu diesen Flächen stehen, wird elektrischer Strom nach außen abgeführt. Die Ausformung dieser metallischen Leiter ist auf der vom Licht abgewandten Seite - der Rückseite - entweder als vollflächige Bedeckung oder als engmaschiges Netz gestaltet. Dadurch werden die ohmschen Verluste gering gehalten. Auf der dem Licht zugewandten Seite - der Vorderseite - sind die metallische Leiter zumeist in Form dünner paralleler Linien aufgebracht, die einerseits geringe Abschattung des aktiven Halbleiterkörpers, und andrerseits auch geringe ohmsche Verluste bei der Stromableitung gewährleisten sollen. Diese dünnen Linien heißen Finger. Sie sammeln den Strom aus dem Halbleiterkörper und führen ihn zu einer oder mehreren dicken Linien. Diese dicken Linien werden als Busse bezeichnet. Die Busse sammeln den gesamten von der Solarzelle erzeugten Strom und leiten ihn an einen Rand der Scheibe, wo er abgegriffen wird. Für eine vorgegebene Form und Anzahl der Busse wird die Anordnung und Anzahl der Finger nach bekannten physikalischen Prinzipien aus einer Optimierungsrechnung gewonnen, deren Ziel es ist, bei gegebener einfallender Lichtleistung die maximale elektrische Leistung aus der Solarzelle zu erhalten.

Da die in einer Solarzeile erzeugte Spannung meist zu niedrig für direkte Anwendungen ist, wird eine geeignete Anzahl von Solarzeilen in Serie geschaltet. Hierzu werden die Solarzellen zuerst zu linearen Ketten, sogenannten Strings, verschaltet, und danach werden mehrere Strings nebeneinander gelegt und ebenfalls in Serie, manchmal aber auch parallel zueinander, verschaltet. Eine solche Verschaitung heißt ein Modul. Um ein Modul gegenüber Witterung beständig zu machen, gibt es mehrere Methoden der Einkapselung, z.B. Einbettung der bereits zum Modul zusammengefügten Solarzellen in klare Kunststofffolien und anschließendes optisch dichtes Auflaminieren auf eine Glasplatte, sodass diese die Solarzellen von vorne schützt.

Zur Herstellung eines Strings werden metallische Drähte, die häufig als Fiachbänder geformt sind, an den Bussen einer Solarzelle elektrisch leitend befestigt und zur Rückseite einer unmittelbar benachbarten zweiten Solarzelle geführt, wo sie ebenfalls elektrisch leitend befestigt werden. Als Befestigungsmethoden sind z.B. Löten, Ultraschallschweißen, Kleben mit elektrisch leitendem Kleber, und mechanisches Anpressen in Verwendung. Die Busse der zweiten Solarzelle werden ihrerseits elektrisch leitend mit der Rückseite einer zu dieser Solarzelle benachbarten dritten Solarzelle verbunden, usw. Die gängigste Art dieser Serienschaltung ist in Fig.1 dargestellt. Dabei ist:

(1 ) Vorderseite der Solarzelle, die der Sonne zugewandt ist

(2) Finger aus gut leitendem Metall zum Sammeln des Stroms von der Vorderseite der Solarzelle

(3) Bus aus gut leitendem und belötbarem Metall zum Sammein des Stromes von den Fingern

(4) Leiterband aus gut leitendem Metall, das auf einen Bus (3) aufgelötet, geklebt oder gepresst wird, um den Strom zur Rückseite der nächsten Solarzelle zu transportieren

(5) Symmetrielinien, welche es erlauben, eine Solarzelle gedanklich in 4 identisch funktionierende, parallel geschaltete, elektrische Einheiten zu teilen

Diese Serienschaltung führt zu einer merklichen Leistungsminderung. Diese wird nun für den heute am häufigsten verwendeten Typ der Siliziumsolarzelle, nämlich jenem mit der Größe 156 mm x 156 mm, für eine solare Einstrahlung von 1000 W/m ² quantifiziert:

• Abschattung durch die Busse bzw. auf die Busse gelöteten Metalibänder.

Diese Bänder sind meist 2,5 mm breit. Bezogen auf die Gesamtbreite der Solarzelle ergibt dies bei zwei Bändern einen relativen Verlust von 3,2% durch ungenutzte Fläche.

• Abstand zwischen den einzelnen Solarzellen eines Strings. Dieser Abstand ist zumindest 2 mm. Für einen String mit 10 Solarzellen ergibt dies einen relativen Verlust von zumindest 1 , 1 % durch ungenutzte Fläche.

• Elektrische Widerstandsverluste in den Metallbändern an der Vorderseite der Solarzelle, Diese Metallbänder sind aus oberflächenverzinntem Kupfer, ihr Querschnitt ist häufig 2,5 x 0,15 mm ² . Größere Querschnitte würden entweder mehr Abschattung oder größere Höhe über der Solarzelle und damit einhergehend komplexere Verarbeitungstechnik bei der Herstellung der Module nach sich ziehen. Die Solarzelle liefert rund 3.8 Watt Leistung bei einem Strom von 8 Ampere und einer Spannung von 0.475 Volt. Bei Vorhandensein von zwei Metallbändern trägt ein jedes einen Strom, der über einer Länge von 156 mm von 0 auf 4 A linear ansteigt. Dies ergibt einen relativen Leistungsverlust von 1 ,8%.

• Elektrische Widerstandsverluste in den Metallbändern an der Rückseite der Solarzelle. Diese Verluste sind ähnlich jenen der Metallbänder an der Vorderseite, jedoch reduziert, weil die Rückseite der Solarzelle üblicherweise mit einer gut leitenden Metallschicht versehen ist. Bei der heute üblichen Metalischicht aus etwa 15 μηη gesintertem Aluminium, können die Widerstandsverluste in den Metallbändern mit rund 0.8% berechnet werden.

Insgesamt ergibt sich ein relativer Leistungsverlust des Solarzellenstrings von

6,9%.

Technische Aufgabe der Erfindung

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, unter Beibehaltung des Halbleitermaterials und der Herstellungstechnik der Solarzellen selbst, diesen Leistungsverlust eines Solarzellenstrings soweit wie möglich zu minimieren, und somit die zur Verfügung stehende, von der Sonne bestrahlte Fläche besser zu nutzen.

Beschreibung der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine rechteckige Solarzelle aus kristallinem Material mit einer bei der Anwendung dem Licht zugewandten Vorderseite mit einer ersten Polarität und einer bei der Anwendung vom Licht abgewandten Rückseite mit einer zweiten Polarität, mit folgenden Merkmalen:

- auf der Vorderseite der Solarzeile verläuft entlang eines ersten Längsrandes der

Solarzelle mindestens ein Bus zum Sammeln und Weiterleiten des auf der

Solarzelle erzeugten Stroms,

auf der Rückseite verläuft entlang eines zweiten Längsrandes der

Solarzelle mindestens ein Bus zum Sammeln und Weiterleiten des auf der

Solarzelle erzeugten Stroms. Nach einer Ausführungsform ist mindestens ein Bus ist als linear verlaufender Flachleiter ausgebildet. Es können auch alle Busse so gestaltet sein.

Diese Solarzelle kann mit mehreren, parallel und mit Abstand zueinander auf der Vorderseite angeordneten Fingern ausgebildet werden, die senkrecht zu dem mindestens einen Bus auf der Vorderseite der Solarzelle verlaufen und mit diesem elektrisch verbunden sind.

Die Rückseite der Solarzelle ist beispielsweise als vollflächiger oder als Netz gestalteter metallischer Leiter gestaltet und mit dem mindestens einen Bus auf der Rückseite der Solarzelle elektrisch verbunden.

Wie sich aus der Beschreibungseinleitung ergibt liegt ein Erfindungsmerkmal darin, die Solarzelle rechteckig und mit kurzen elektrischen Wegen auszubilden, um den Wirkungsgrad zu optimieren. Entsprechend soll das Längen- zu Breitenverhältnis der Solarzelle vorzugsweise > 3, besser: > 4 oder > 6 betragen.

Die energetisch wirksame Fläche der Solarzelle wird weiter optimiert, wenn die Busse ohne Abstand zum jeweiligen Längsrand der Solarzelle verlaufen, sich also direkt an die Längskante der Solarzelle anschließen (während die zugeordneten Finger senkrecht dazu bzw. parallel zu den Breitseiten der Solarzelle in den jeweiligen Bus einmünden).

Die erfindungsgemäße Solarzelle kann einer Länge £ 150mm, beispielsweise 56mm oder > 200mm und eine Dicke 1 300pm, beispielsweise < 300μηπ aufweisen.

Die beschriebene Ausbildung der Solarzellen erlaubt folgende Anordnung zu einem String und entsprechend weiter zu einem kompletten Modul:

Die Solarzellen werden entlang ihrer jeweiligen Längsränder nebeneinander angeordnet und der jeweils mindestens eine Bus auf der Vorderseite einer Solarzelle wird mit dem jeweils mindestens einen Bus auf der Rückseite der benachbarten Solarzelle elektrisch verbunden. Dabei können die Busse von Vorder- und Rückseite benachbarter Solarzellen aufeinander liegen, das heißt, es entsteht ein Überlappungsbereich, so dass eine Reihe nebeneinander angeordneten Solarzellen (ein string) schuppenartig zueinander verläuft, wie in Fig. 2,3 dargestellt. Dieser Überlappungsbereich ist erfindungsgemäß minimiert und vorzugsweise auf die Breite der korrespondierenden Busse beschränkt, um die soiartechnisch unbrauchbare Fläche zu klein wie möglich zu halten.

Bei dieser Anordnung erhöht sich die Höhe (Dicke) des Strings an den Überlappungsbereichen etwa auf die 2-fache Dicke der einzelnen Solarzelle. Wegen der geringen Dicke jeder Solarzelle stört dies jedoch nicht, zumal die Solarzellen im Weiteren zwischen Glas- und/oder Kunststoffschichten konfektioniert (laminiert) werden. Insoweit wird zur weiteren Offenbarung auf den Inhalt der EP2237325 B1 Bezug genommen.

Die Busse von Vorder- und Rückseite benachbarter Solarzellen können direkt oder indirekt elektrisch verbunden werden; direkt beispielsweise durch unmittelbare Verlötung oder indirekt beispielsweise über mindestens einen Verbinder, mit dem die Busse verklebt, verlötet oder sonst wie verbunden werden.

Eine alternative Anordnung sieht vor, die Busse von Vorder- und Rückseite benachbarter Solarzellen nebeneinander zu legen und über einen Verbinder elektrisch zu verbinden. Diese Anordnung vermeidet verdickte Zonen im Anschlussbereich benachbarter Solarzellen. Die Verbindung zwischen dem Verbinder (Adapter) und den Bussen kann wie vorstehend dargestellt erfolgen.

Der Verbinder zwischen benachbarten Bussen von Vorder- und Rückseite benachbarter Solarzellen kann stufenartig verlaufen, um den (sehr geringen) Höhenunterschied zwischen Vorderseite einer Solarzelle und Rückseite einer benachbarten Solarzelle auszugleichen.

Eine Ausführungsform sieht vor dass der jeweils mindestens ein Bus auf der Vorderseite einer Solarzelle mit dem jeweils mindestens einem Bus auf der Rückseite der benachbarten Solarzelle über mindestens einen Verbinder in Form eines elektrisch leitenden Bandes verlötet ist.

Zur Lösung der technischen Aufgabe wird davon ausgegangen, dass die Verluste beim Sammeln und Abtransportieren des elektrischen Stromes von der Vorderseite einer rechteckigen Solarzelle prinzipiell kleiner gehalten werden können, als jene von einer quadratischen Solarzelle gleicher Fläche. Z.B. kann eine herkömmliche quadratische Solarzelle, wie in Fig.1 gezeigt, durch Teilung entlang der Symmetrielinien (5) in vier gleiche, kleinere Solarzellen zerlegt werden. Diese neuen Solarzellen können nun entlang ihrer langen Seiten in Reihe geschaltet werden. Da die elektrischen Weglängen beim Stromtransport von einer Solarzelle zur nächsten auf einen Bruchteil schrumpfen, sinken die elektrischen Verluste. Zusätzlich kann die Reihenschaltung schindelartig erfolgen, sodass der Anteil der Gesamtfläche des Strings, der durch Busse abgeschattet wird, wie auch der durch Abstände zwischen den Zellen ungenutzte Flächenanteil, vollständig verschwindet.

Die Fig.2 skizziert das erfinderische Prinzip der Reihenschaltung der Solarzellen anhand einer Ansicht der Vorderseite von vier Solarzellen. Dabei ist:

(6) Vorderseite der Solarzelle

(7) Metalifinger auf Vorderseite der Solarzelle zum Sammeln des Stroms

(8) belötbarer Metallbus zum Sammeln des Stromes von den Fingern

(9) elektrisch leitender Verbinder zwischen zwei Solarzellen

(10) Solarzelle A

(1 1) Solarzelle B

Die Fig.3 skizziert das erfinderische Prinzip dieser Reihenschaltung anhand einer Ansicht der Rückseite von vier Solarzellen, von unten betrachtet. Dabei ist:

(12) belötbarer Metailbus zum Sammeln des Stromes von der Rückseite

(13) Metallisierung der restlichen Rückseite der Solarzelle für bessere elektrische Leitfähigkeit in Richtung Metalibus (12) Es solien nun die zu erwartenden Verluste ermittelt werden, die bei dieser Art der Reihenschaltung auftreten. Dazu wird von rechteckigen Solarzellen der Größe 156 x 39 mm ausgegangen, da diese leicht durch Teilung des gängigen Formates von 156 x 156 mm entlang der Symmetrielinien (5) hergestellt werden können. Im Allgemeinen wird es aber notwendig sein, die Metallisierungsmuster der Vorder- und der Rückseite zu adaptieren, um nach Teilung der quadratischen Scheibe vier rechteckige Solarzeilen mit identischer Metallisierung zu erhalten. Vor allem ist die Lage der rückseitigen Busse (12) in Bezug auf die vorderseitigen Busse (8) zu optimieren.

Die Verluste in den Fingern (7) der erfindungsgemäßen Solarzelle sind dieselben wie in den Fingern (2) der herkömmlichen quadratischen Solarzellen, da sie dieselbe Länge und Beschaffenheit haben. Auch die Verluste durch den Kontaktwiderstand zwischen dem Bus (8) und dem Verbinder (9) können als dieselben angesetzt werden wie jene zwischen dem Bus (3) und dem Leiterband (4) bei den herkömmlichen quadratischen Solarzellen, da dieselbe Stromdichte vorliegt. Dies ist gewährleistet, wenn der Bus (8) die halbe Breite des Busses (3) aufweist. Die ungenützte Fläche durch den Bus (8) kann vollständig eliminiert werden, wenn der Verbinder (9) so auf der Solarzelle liegt, dass er nicht mehr als den Bus (8) abdeckt, und die darüber liegende Solarzelle ebenfalls nicht mehr als den Bus (8) abdeckt. Dadurch gibt es in einem Solarzellenstring weder Flächenverluste durch Abschattung noch durch Abstand zwischen den Solarzellen (mit Ausnahme der Abschattung durch die Finger (7), die aber dieselbe ist wie bei den herkömmlichen quadratischen Solarzellen). Es müssen deshalb nur die Verluste durch den ohmschen Widerstand im Verbinder (9) und bei dessen Kontakt zur Rückseite der jeweils darüber liegenden Solarzelle betrachtet werden. Die letzteren können als gleich groß wie die Verluste auf der Rückseite einer quadratischen Solarzelle (Fig.1) angesehen werden, also rund 0.8% der erzeugten elektrischen Leistung. Die ohmschen Verluste im Verbinder (9) hängen von dessen Material und Querschnitt ab. Wenn er z.B. aus einem Kupferband mit Querschnitt 0.05 x 5,00 mm ² und Länge von 154 mm besteht (bei einer Kantenlänge der Solarzelle von 156 mm), und weiter angenommen wird, dass der Strom von 2 A die maximal mögliche Distanz von 5 mm fließen muss, ergibt dies einen relativen Verlust von ca. 0.006% der elektrischen Leistung der Solarzelle bei solarer Einstrahlung von 1000 W/m ² . Die Verluste eines Solarzellenstrings gegebener Länge betragen somit nur rund 0.8% der generierten Leistung, Dies ist deutlich weniger als bei einem String quadratischer Solarzellen, wo dieselben Verluste 6.9% ausmachten.

Dem Verbinder (9) kommt die Aufgabe zu, den Strom von der Vorderseite der Solarzelle A (10) zur Rückseite der Solarzelle B (11) zu führen und dabei geringstmögliche ohmsche Verluste zu verursachen. Es sind mehrere Formen des Verbinders denkbar, wie beispielhaft in der Fig.4 gezeigt. Dabei sind:

(9-1 ) Verbinder in einem Stück als dünnes metallisches Band

(9-2) Verbinder bestehend aus mehreren nicht miteinander verbundenen Teilstücken eines metallischen Bandes, um mechanische Spannungen aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnung von Solarzelle und Verbinder zu reduzieren

(9-3) Verbinder bestehend aus kurzen Drahtstücken, um thermische Spannungen zu reduzieren und den Metallverbrauch der elektrischen Verbindung möglichst niedrig zu halten

Für die Art, wie die elektrische und mechanische Verbindung zwischen Solarzellen und Verbinder hergestellt wird, sind ebenfalls verschiedene Methoden denkbar:

1 . Ein dünnes Band (9-1), oder mehrere dünne Bänder (9-2), aus einem gut leitenden Metall, z.B. Kupfer, ummantelt mit Lötzinn. Bei der Herstellung der Verbindung werden die zwei Solarzellen mit dem Band, bzw. den Bändern, dazwischen fest aneinander gedrückt und erhitzt, sodass das Lötzinn aufschmilzt und nach Abkühlung eine feste Verbindung zwischen den zwei Solarzellen vermittels des Bandes, bzw. der Bänder entsteht.

2. Kurze Drahtstücke (9-3), die mit geeignetem Lötzinn ummantelt sind. Bei der Herstellung der Verbindung werden die zwei Zellen mit den Drahtstücken dazwischen fest aneinander gedrückt und erhitzt, sodass das Lötzinn aufschmilzt und nach Abkühlung eine feste Verbindung zwischen den zwei Solarzellen vermittels der Drahtstücke entsteht.

3. Ein dünnes Band (9-1 ), oder mehrere dünne Bänder (9-2), aus einem gut leitenden Metall, mit aufgerauten Oberflächen. Beim Zusammendrücken zweier benachbarter Solarzellen mit dem Verbinder dazwischen dringen hervorstehende Spitzen der rauen Oberfläche des Verbinders in den vorderseitigen Bus (8) der einen Solarzelle und in den rückseitigen Bus (12) der anderen Solarzelle ein, oder stellen zumindest guten mechanischen Kontakt her. Damit wird auch guter elektrischer Kontakt erreicht. Um diese Verbindung über lange Zeit aufrecht zu erhalten ist permanenter Druck notwendig. Dieser Druck wird in der üblichen Herstellung von photovoltaischen Modulen automatisch erreicht, da die Strings zwischen einer Glasplatte und einer Rückseitenfoüe eingebettet und unter Vakuum dicht versiegelt werden.

Die Erfindung umfasst folgende Ausführungsformen:

1 , Solarzeile bestehend aus einem scheibenförmigen Halbleiter mit rechteckigem Grundriss, der bei Lichteinfall eine elektrische Spannung zwischen der Vorderseite und der Rückseite der Scheibe generiert, der eine Metallisierung der Vorderseite und der Rückseite zur elektrischen Kontaktierung aufweist, wobei die Metallisierung auf der Vorderseite einen belötbaren Bus (8) beinhaltet, der sehr nahe an einem Rand liegt und zu diesem parallel verläuft, und die Metallisierung auf der Rückseite einen belötbaren Bus (12) beinhaltet der ebenfalls nahe an einem Rand und zu diesem parallel verläuft, und die Busse (8) und (12) zueinander parallel sind,

2, Verbindungstechnik für Solarzellen wie unter 1. genannt, wobei ein Verbinder (9) in Form eines mit Lötzinn ummantelten Metaflbandes auf den Bus (8) einer Solarzelte A (10) gelegt wird, wobei das Metallband auch aus mehreren Teilstücken bestehen kann, sodass der Bus (8) zumindest teilweise abgedeckt wird und eine Solarzelle B (1 1 ) auf diesen Verbinder so gelegt wird, dass dieser den rückseitigen Bus (12) der Solarzelle flächig kontaktiert und sodann Solarzelle A (10), Verbinder (9) und Solarzelle B (1 1 ) fest aneinander gedrückt und kurz erhitzt werden, damit eine feste Lötverbindung entsteht,

3, Verbindungstechnik für Solarzellen wie unter 1 . genannt, wobei mit Lötzinn ummantelte gerade Drahtstücke so auf den Bus (8) der Solarzelle A (10) gelegt werden, dass sie zu diesem etwa im rechten Winkel stehen, und darauf eine

Solarzelle B (1 1 ) gelegt wird, sodass die Drahtstücke deren rückseitigen Bus (12) gut kontaktieren und sodann Solarzelle A (10), Drahtstücke und Solarzelle B (1 1 ) fest aneinander gepresst und kurz erhitzt werden, damit eine feste Lötverbindung entsteht,

4. Verbindungstechnik für Solarzellen wie unter 1. genannt, wobei ein Verbinder (9) in Form eines mit beidseits aufgerauter Oberfläche versehenen Metailbandes auf den Bus (8) der Solarzelle A (10) gelegt wird, wobei das Metallband auch aus mehreren Teilstücken bestehen kann, sodass der Bus (8) zumindest teilweise abgedeckt wird und eine Solarzelle B (1 1) auf diesen Verbinder so gelegt wird, dass dieser den rückseitigen Bus (12) der Solarzelle B (1 1 ) flächig kontaktiert und sodann Solarzelle A (10), Verbinder (9) und Solarzelle B (1 1) fest aneinander gedrückt werden, sodass die hervorstehenden Teile der aufgerauten Oberflächen des Verbinders (9) sowohl in den Bus (8) der Solarzelle A (10) als auch in den rückseitigen Bus (12) der Solarzelle B (1 1) eindringen oder zumindest festen mechanischen und elektrischen Kontakt herstellen.

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