Eigenschaften von lötfreien Zellenverbindungen in Photovoltaikmodulen

Abstract

In heutiger Zeit kommen für die Stromerzeugung wesentlich häufiger Solarmodule zum Einsatz als vor einigen Jahren. In dieser Arbeit werden die elektrischen Verbindungen zwischen Solarzellen aus kristallinem Silizium untersucht. Üblicherweise werden diese gelötet oder geklebt, doch beide Varianten haben für sehr dünne Solarzellen Nachteile. Durch die hohen Temperaturwechsel und unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien entstehen häufig Brüche in den Zellen. Deshalb wird in dieser Arbeit eine neue Methode betrachtet, in der nur durch Druck ein dauerhafter elektrischer Kontakt erreicht werden soll. Im Detail werden folgende Themen behandelt: - Druckmessungen Die Herstellung der Solarmodule bedarf verschiedener Schritte, bei welchen der Grad der Komplexität und somit die Fertigungskosten unterschiedlich hoch sind. Besonderes Augenmerk wird bei dieser Arbeit auf die Kontaktstreifen zwischen den Zellen im Solarmodul gelegt. Diese werden in den Herstellerfirmen derzeit üblicherweise angelötet, um die notwendige elektrische Verbindung aufzubauen. Hier wird überprüft, ob eventuell die Lötung wegfallen könnte. Die Kontaktstreifen sollen nur aufliegen und - wie sonst auch üblich - angepresst werden. Bei dieser Methode überlappen sich aber die Solarzellen, wodurch sie zusätzlichen mechanischen Belastungen ausgesetzt sind. Hier wird ein Versuchsaufbau verwendet, welcher diese Bedingungen im Modul nachstellen soll. Weiters werden auch theoretische Simulationen gemacht, um die Anpressdrücke der Kontakte zu ermitteln. - Höhenprofile Weiters wird die Durchbiegung der Zellen im tatsächlichen Solarmodul behandelt, wenn die lötfreie Methode zum Einsatz kommt. Diese werden durch eine schützende Glasplatte angepresst, welche einen Druck von 800mbar aufbringt. Die mechanische Verbiegung wird durch Höhenprofile in Längs- und Querrichtung der Solarzellen betrachtet. - Kontaktwiderstandsmessungen Bei einer ev. Umstellung auf die lötfreie Verbindungsmethode müsste der zusätzliche Widerstand sehr gering sein, damit nicht zu viel der eben erst erzeugten elektrischen Leistung wieder verbraucht wird. Das würde sich schnell bemerkbar machen, da sehr viele Lötstellen im herkömmlichen Modul vorhanden sind. Unabhängig von den experimentellen Untersuchungen in dieser Arbeit wurde ein Effekt theoretisch ausgearbeitet: - PID-Effekt In den letzten Jahren zeigte sich in einigen photovoltaischen Großanlagen mit unverhältnismäßig kurzer Zeit eine Abnahme des Wirkungsgrades von bestimmten Modulen aufgrund des elektrischen Ortes, wo sie sich innerhalb des Spannungsspektrums einer Modulgruppe befinden. Diese Potential induzierte Degradation (kurz: PID) wird in dieser Arbeit theoretisch behandelt.

Nowadays, for generating electricity solar modules are used more often than a few years ago. In this work, the electrical connections between solar cells (made from crystalline silicium) are investigated. Normally, these connections are soldered or sticked, but very thin solar cells have problems with that. Because of intensive temperature changings and different coefficients of thermal expansion of the involved materials, very often breaks in the cells can appear. Therefore, in this work a new method is observed: The permanent electrical connection is achieved just by pressure. In detail, the following themes are examined: - Pressure measurements The production of solar modules has many steps with different complexity and costs. Here, the contact strips are looked at in detail, which connect the solar cells in the solar module. Nowadays, these contact strips are soldered by the producers to build up the electrical connection. In this work, it is proved, that the expensive soldering could be replaced just by pressing contacts. Maybe the usually (in the production) used contact pressure is enough for this purpose. In this method, the solar cells overlap and therefore mechanical stresses could destroy them. A test set-up is constructed to investigate the various aspects of pressure on overlapped solar cells. The deformed solar cells were also modelled theoretically to obtain the actual pressure on the contact strips between the cells. - Profiles of height A functioning minimodule is build with the overlapped solar cells. It was laminated (without backsheet) at a pressure of 800mbar. The backside of the module was then scanned with a height-profiler to find out the deformation of the solar cells. - Measurements of contact resistance If there is a change to a solder-free connection method, the contact resistance must not be much higher. Otherwise, too much of the produced power is dissipated in this area because there are many solder joints in a common solar module. - Potential Induced Degradation - PID Since a few years, many operators of photovoltaic power plants noticed a decreasing power after some months or years of operation time. This effect preferable acts at modules which are in the negative range of the electrical potential spectrum. In this work, PID is investigated theoretically and independent of the experimental researches.