Zellverbindungen ohne Kleben oder Löten für kristalline Silizium Photovoltaik Module

Abstract

In dieser Dissertation wird die Fertigung neuartiger Photovoltaik Module aus nicht standardisierten Zellen dargelegt. Zu Beginn wird auf die Theorie von Photovoltaikzellen und Photovoltaikmodulen eingegangen. Besonders die elektrischen Kontaktverbindungen und die Verlustmechanismen in solchen Modulen werden beleuchtet. Um die Leistung von polykristallinen Silizium-PV-Modulen zu maximieren, kamen in dieser Arbeit rechteckige Zellen mit den Abmessungen 39 mm x 156 mm zum Einsatz, die sich in Serie überlappen.Die geringe Stromdichte an der Zellüberlappung ermöglicht Zellverbindungen, bei denen weder gelötet noch geklebt wird, sondern der Kontakt zwischen den Zellen durch Metallstreifen hergestellt wird, die im Überlappungsbereich eingefügt werden. Der für den elektrischen Kontakt notwendige Druck wurde durch die Laminierung der Module erzeugt. Dadurch ergibt sich eine leichte Biegung der Solarzellen, welche den für die Zellverbindung notwendigen Druck im eingekapselten Zustand der Zelle dauerhaft aufrechterhält. In dieser Arbeit wird auf die Langzeitstabilität der verschiedenen Kontaktmaterialien und Kontaktquerschnitte eingegangen. Diese Kontaktmaterialien wurden in acht Modulen der 240W-Klasse eingesetzt und über einen Zeitraum von bis zu drei Jahren im Außenbetrieb getestet bzw. überwacht. Zusätzlich wurden Variationen von kleinen 5-Zell-Modulen raschen Alterungstests mit bis zu 1000 Thermozyklen ausgesetzt. Zudem wurden Zellen mit drei verschiedenen Elektrodenkonstruktionen aus Cu, Ag, SnPbAg und Sn getestet. Mit Augenmerk auf Serienwiderstand, Füllfaktor, dem Spannungsverhältnis von der Spannung am Maximum-Power-Point zu der Leerlaufspannung und Peak Power ist festzustellen, dass die von Ag beschichteten Kontaktstreifen gleich gut funktionieren wie gelötete Zellverbindungen und praktisch auch die gleiche Stabilität aufweisen. Durch eine Einsparung von Kupfer zwischen 70-90% und einer einfacheren Fertigung könnten die Herstellungskosten für PV-Module weiter gesenkt werden.

In this dissertation, the generation of new photovoltaic modules from non- standardcells is proposed. The format of the solar cells is switched from squareness of most oftoday`s commercial cells to rectangular, in which the short side is much smaller thanthe long side. The rst thing that is discussed here is the theory of photovoltaic cellsand photovoltaic modules. Topics covered in particular include: the production of themodules, the electrical connection and the loss mechanisms in such modules. In thiswork, in order to maximize the output power of polycrystalline silicon PV-modules,rectangular cells of 39 x 156 mm were used that overlap along the long sides. At the celloverlap, the low current density allows the new form of interconnections proposed here.This interconnection requires neither soldering nor gluing, but it uses metallic stripsimplanted among the cells in the overlap region. The contact was created during thelamination by the pressure applied to the module and is maintained by the slightly bentcells in the solidied encapsulation. In addition, the long term stability is determined ofdistinct contact materials and contact cross-sections applied in eight modules of the 240W class monitored for up to three years of outdoor operation. The results from a varietyof small 5-cell modules, which were exposed to rapid ageing tests with up to 1000 thermalcycles, are explained in detail. Cells were tested with three dierent electrode designsand Cu, Ag, SnPbAg alloy and Sn were the contact materials. Focussing especially onseries resistance, ll factor and peak power, it is found that Ag-coated contact stripshave practically the same stability as soldered cell interconnections and perform as well.Owing to 70{90% savings in copper and simpler manufacturing, the cost of PV-modulesmay be decreased further.