Manufacturing and analysis of wave-shaped wires for stress-reduced interconnection of silicon solar cells

Abstract

Der Standardprozess für die Verschaltung von Siliziumsolarzellen ist Löten. Unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materialien erzeugen thermomechanische Spannungen nach dem Lötvorgang. Diese können zu Defekten führen, welche die Ausgangsleistung photovoltaischer Module verringern. In dieser Arbeit wurden thermomechanische Spannungen aufgrund des Lötvorgangs mittels der Finite Elemente Methode analysiert. Die Ergebnisse ermöglichen eine Optimierung des Kontaktmetallisierungslayouts von Solarzellen, sodass Spannungsmaxima reduziert werden können. Außerdem beeinflussen die mechanischen Eigenschaften von zur Verschaltung eingesetzten Kupferzellverbindern thermomechanische Spannungen wesentlich. Deshalb wurden gewellte Drähte eingeführt und deren physikalische Eigenschaften analysiert. Mittels neu entwickelter Umformmethoden wurde eine Reduktion der Pseudo-Dehngrenze von bis zu −88, 5% erreicht. Dies zeigt das Potential gewellter Drähte thermomechanische Spannungen deutlich zu reduzieren. Berechnungen zeigen außerdem, dass durch eine Verschaltung mit gewellten Drähten eine Erhöhung der Modulleistung um bis zu 2,1% möglich ist. Zudem wird das Löten auf Kleinstkontakten ermöglicht und die Biegeverformung bei einseitiger Verschaltung von hocheffizienten Rückkontaktsolarzellen maßgeblich reduziert. Thermische Zyklentests zeigen eine Leistungsdegradation kleiner −3% nach 200 Zyklen und damit vergleichbare Ergebnisse wie Standardverschaltungsansätze.

Soldering of copper interconnectors is the standard process for the interconnection of silicon solar cells. Different coefficients of thermal expansion of the used materials cause thermomechanical stress after the soldering process. Thermomechanical stress may induce defects that result in power degradation of photovoltaic modules. In this work, thermomechanical stress caused by the soldering process is examined by finite element analyses. The results reveal how to optimize the metallization layout for reduced stress maxima. In addition, the mechanical properties of copper ribbons or wires used for the interconnection significantly affect thermomechanical stress. For this reason, wave-shaped wires were introduced and their physical properties were analyzed. Using newly developed reshaping methods a pseudo yield limit reduced by up to −88.5% is possible. This indicates the potential of wave-shaped wires for significant stress reduction. Simulations show a maximum power increase of 2.1% when interconnecting solar cells with wave-shaped wires. In addition, wave-shaped wires enable soldering on smallest contacts and the bending deformation of high efficiency back-contact solar cells is significantly reduced. Furthermore, temperature cycling shows a power degradation below −3% after 200 cycles, which is comparable to standard interconnection approaches.