DE102008035576A1

DE102008035576A1 - Photovoltaik-Vorrichtung und Verfahren zur Herstellung einer Konzentratoroptik

Info

Publication number: DE102008035576A1
Application number: DE102008035576A
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. Nitz
Original assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Current assignee: Fraunhofer Gesellschaft zur Foerderung der Angewandten Forschung eV
Priority date: 2008-07-30
Filing date: 2008-07-30
Publication date: 2010-02-04
Also published as: WO2010012479A3; US20110180143A1; EP2311100A2; US8969716B2; WO2010012479A2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie, die eine Konzentratoroptik sowie mindestens eine Solarzelle enthält. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Konzentratoroptik, die in einer entsprechenden Photovoltaik-Vorrichtung, aber auch in anderen Vorrichtungen zur, z. B. thermischen, Nutzung von Strahlung eingesetzt werden kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie, die eine Konzentratoroptik sowie mindestens eine Solarzelle enthält. Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer Konzentratoroptik, die in einer entsprechenden Photovoltaik-Vorrichtung aber auch in anderen Vorrichtungen zur, z. B. thermischen, Nutzung von Strahlung eingesetzt werden kann.
Bei der solaren Energiegewinnung mit fokussierenden Optiken wird die Solarstrahlung konzentriert, wodurch eine effizientere und kostengünstigere Umwandlung der Sonnenenergie in elektrische Energie möglich ist. Ein Beispiel hierfür ist das am Fraunhofer ISE entwickelte FLATCON^®-System (A. W. Bett, H. Lerchenmüller, „The FLATCON®-System from concentrix solar", in: A. Luque et al.: „Concentrator photovoltaics", 2007, S. 301–319). Das FLATCON^®-System beruht darauf, dass hier Linsenplatten eingesetzt werden, bei denen konzentrierende Strukturen in Form vieler quadratischer punktfokussierender Fresnel-Linsen in einer dünnen Schicht aus transparentem Silikon auf Glas aufgebracht werden. Zu diesem Zweck wird ein zunächst flüssiges Silikon zwischen einer Glasplatte und einem entsprechenden Formwerkzeug, das die gewünschte Struktur der Fresnel-Linsen als Negativ trägt (im Folgenden Negativform genannt) ausgehärtet und das Formwerkzeug anschließend entfernt.
Silikon bringt den großen Vorteil einer erstaunlichen Haltbarkeit gegenüber Solarstrahlung und Temperaturwechselbelastung mit sich. Hier liegen mehrjährige Erfahrungen vor, die zeigen, dass die Kombination von Glas (als äußere Abdeckung) und Silikon als strukturtragender Schicht zu haltbaren und über lange Zeiten funktionstüchtigen Linsenplatten führt. Die Haltbarkeit beruht neben anderen Faktoren nicht zuletzt darauf, daß das ausgehärtete Silikon chemisch vernetzt ist und die fertige Struktur dadurch sehr stabile viskoelastische Eigenschaften aufweist. Die Form wird sich also im Gegensatz zu thermoplastisch verformten Materialien auch in längeren Zeiträumen nicht durch Fließen oder Relaxieren ändern, wodurch sich die optische Funktion verschlechtern würde. Bei der Verwendung von Silikon als zu prägendes Material treten Nachteile hinsichtlich der Aushärtezeiten und des aufwändigen Herstellungsprozesses auf. Dies führt dazu, dass bei der Herstellung von großen Flächen bzw. großen Stückzahlen von Linsenplatten eine große Anzahl an Formwerkzeugen benötigt wird, da die Verweildauer während der Prägung durch die hohe Aushärtezeit bestimmt wird. Mit dem Erfordernis einer hohen Anzahl an Prägewerkzeugen, einer langen Prozesszeit und einer aufwändigen Prozessführung sind jeweils hohe spezifische Kosten verbunden.
Ein weiterer Nachteil bei der Verwendung von Silikon ist die hier auftretende geringe Brechkraft. So liegt die Brechzahl von Silikonen etwa bei n = 1,41. Dementsprechend lassen sich bei vertretbaren Prismenwinkeln nur relativ große Brennweiten realisieren, da bei großen Prismenwinkeln die Reflexionsverluste zunehmen und die Wellenlängendispersion von Licht einer großen spektralen Bandbreite in unerwünschter Weise ansteigt. Gerade im Hinblick auf die bei der Modulfertigung auftretenden Kosten sind große Brennweiten jedoch unerwünscht, so dass möglichst geringe Brennweiten angestrebt werden. Dies erfordert bei gleicher Linsengröße Materialien mit einem größeren Brechungsindex, falls die Reflexionsverluste in den Aussenbereichen der Linsen gering bleiben sollen.
Ein weiterer Vorteil einer größeren Brechzahl besteht darin, daß bei gleicher Brennweite die brechenden Strukturen (in einer Schnittebene gesehen jeweils Prismen) flacher werden. Dies erleichtert die Fertigung sowohl bei der Herstellung eines Werkzeuges wie auch in der Replikation. Zudem nimmt der so genannte Störflankenanteil, d. h. der Anteil der projezierten Verlustfläche durch die optisch inaktive Flanke der Prismen, ab mit flacher werdenden Prismen. Die größere Brechzahl kann also zu einer höheren optischen Effizienz (weniger Störflankenanteile, geringere Reflexionsverluste bei großen Prismenwinkeln in den Aussenbereichen der Fresnellinse, geringere Strukturfehler durch flachere Strukturen) sowie möglicherweise zu einer kostengünstigeren Fertigung führen.
Ausgehend hiervon war es daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Photovoltaik-Vorrichtung mit einer Konzentratoroptik bereitzustellen, die auf einfache und kostengünstige Weise herzustellen ist.
Diese Aufgabe wird durch das Verfahren zur Herstellung einer Konzentratoroptik mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und die Photovoltaik-Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 9 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. In Anspruch 18 wird eine erfindungsgemäße Verwendung beschrieben.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung einer Konzentratoroptik bereitgestellt, bei dem auf mindestens einer Oberfläche eines Substrats mindestens eine aus einem thermisch zumindest teilweise vernetzenden oder vernetzbaren Polymermaterial bestehende Laminierfolie aufgebracht wird. Anschließend wird die Laminierfolie durch thermische Anregung mindestens auf deren Erweichungstemperatur erwärmt, wobei dann mittels einer Negativform eine fokussierende Struktur in die Laminierfolie geprägt wird. Durch Abkühlung erfolgt schließlich eine Aushärtung durch zumindest teilweise Vernetzung des Polymermaterials und somit zur Bildung der beständigen fokussierenden Struktur.
Das erfindungsgemäße Verfahren weist gegenüber den aus der Mikroreplikation bekannten Strahlungsinduzierten Vernetzungsprozessen, d. h. UV-Replikation, den Vorteil auf, dass eine thermisch induzierte oder physikalische Vernetzung, wie sie erfindungsgemäß erfolgt, eine höhere Strahlungsstabilität ermöglicht. Die aus dem Stand der Technik bekannten Strahlungs-vernetzenden Systeme bleiben auch nach der Vernetzung immer etwas empfindlich gegenüber Strahlung, was bei solaren Anwendungen zu einer beschleunigten Degradation führt. Dies kann erfindungsgemäß umgangen werden.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil gegenüber dem eingangs beschriebenen Prozess auf Basis von Silikonen ist es, dass das erfindungsgemäße Verfahren deutlich kürzere Prozesszeiten für die Herstellung der Konzentratoroptik erlaubt. So ist erfindungsgemäß der Prozess bereits nach wenigen Minuten abgeschlossen, während die aus dem Stand der Technik bekannten Verfahren mit Silikonen Prozesszeiten von typischerweise mehreren Stunden aufweisen.
Als thermisch vernetzendes bzw. vernetzbares Polymermaterial werden vorzugsweise Etylenvinylacetat, und/oder Ionomere eingesetzt.
Bei Etylenvinylacetat handelt es sich dabei um eine thermisch initiierte Vernetzung auf chemischer Basis, die irreversibel ist, während es sich bei den Ionomeren um eine thermische Vernetzung auf physikalischer Basis handelt, die reversibel ist.
Die thermisch vernetzenden Ionomere sind dabei vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus ionomeren (Co)polymeren aus Ethylen und einer α,β-ungesättigten Carbonsäure oder einem Carbonsäureanhydrid dieser Carbonsäure, insbesondere (Co)polymeren von Ethylen und Methacrylsäure. Vorzugsweise enthält das Ionomer Carbonsäuregruppen, die mit Metallionen ausgewählt aus der Gruppe Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Zink zumindest teilweise neutralisiert sind.
Hier ist es jedoch auch möglich, sämtliche Polymere einzusetzen, die sich durch thermische Anregung erweichen lassen und durch die Erwärmung oder nach anschließender Abkühlung dreidimensional vernetzen.
Die erfindungsgemäßen Materialien bringen den Vorteil mit sich, dass eine Verarbeitung durch Lamination möglich ist. Sie weisen die Vorteile einer guten und schnellen Verarbeitbarkeit, vertretbarer Materialkosten, hoher Transparenz für Solarstrahlung, guter Beständigkeit unter Solarstrahlung, einer hohen Formstabilität und einer guten Haftung an Glas oder anderen Substraten auf. Die Verarbeitung erfolgt in so genannten Laminatoren, in denen in optimierten Prozesszeiten eine genaue Abfolge von Temperatur und Druck/Vakuum appliziert wird. Eine vorteilhafte und bevorzugte Ausführung der erfindungsgemäßen Herstellung besteht demnach darin, die konzentrierenden Strukturen in handelsüblichen Laminatoren in schnellen Prozessen herzustellen, die nur leicht den geänderten Anforderungen angepaßt werden müssen.
Weiterhin ist es bevorzugt, dass die fokussierende Struktur in Form einer Linsenplatte mit mindestens einer Fresnel-Linse oder in Form einer linear fokussierenden Linsenplatte ausgeformt ist. Neben der linearen Geometrie kommen hier aber auch Geometrien anderer Symmetrien, z. B. eine hexagonale Geometrie, in Frage.
Vorzugsweise besteht das Substrat aus Glas oder einem transparenten Polymer.
Aus Gründen der Beständigkeit und Formtreue auch nach vielen Replikationsprozessen ist die Negativform in der Mikroreplikation oft metallisch ausgeführt. Be züglich der Negativform ist es wichtig, dass eine Haftung der Negativform an der Laminierfolie im Wesentlichen verhindert wird. Dies kann beispielsweise dadurch bewerkstelligt werden, dass als Negativform ein Metall oder eine metallische Legierung eingesetzt wird, wobei die für die Prägung relevante Oberfläche eine antihaftende Beschichtung aufweist. Eine andere Variante sieht vor, dass die Negativform selbst aus einem an der Laminierfolie nicht haftenden Material, z. B. einem Fluorpolymer oder einem Silikon, besteht. Solche Formwerkzeuge weisen zwar eine geringere Festigkeit und Haltbarkeit gegenüber Metall auf, lassen sich u. U. aber auch leichter herstellen.
Erfindungsgemäß wird ebenso eine Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie bereitgestellt, die eine Konzentratoroptik sowie mindestens eine Solarzelle aufweist. Dabei weist die Konzentratoroptik ein Substrat und eine auf der dem Sonnenlicht abgewandten Oberfläche des Substrats angeordnete fokussierende Struktur aus mindestens einem thermisch vernetzten oder teilvernetzten Polymer auf.
Vorzugsweise weist die fokussierende Struktur eine Brechzahl im Bereich von 1.45 bis 1.60 auf.
Als thermisch vernetztes oder teilvernetztes Polymermaterial enthält die fokussierende Struktur vorzugsweise Etylenvinylacteat und Ionomere. Die thermisch vernetzten oder teilvernetzten Ionomere sind dabei vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe bestehend aus ionomeren (Co)polymeren aus Ethylen und einer α,β-ungesättigten Carbonsäure oder einem Carbonsäureanhydrid dieser Carbonsäure, insbesondere (Co)polymeren von Ethylen und Methacrylsäure. Vorzugsweise enthält das Ionomer Carbonsäuregruppen, die mit Metallionen ausgewählt aus der Gruppe Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Zink zumindest teilweise neutralisiert sind.
Die fokussierende Struktur ist vorzugsweise in Form einer Linsenplatte mit mindestens einer Fresnel-Linse oder in Form einer linear fokussierenden Linsenplatte ausgeformt. Dies schließt auch Platten ein, auf der mehr als eine Linse oder mehr als ein punktfokussierender Bereich nebeneinander angeordnet sind bzw. mehrere, parallel oder anderweitig zueinander orientierte linear fokussierende Strukturen und Strukturbereiche.
Das Substrat besteht vorzugsweise aus Glas oder einem transparenten Polymer. Wegen der hohen Transparenz, geringen Materialkosten und guten Witterungsstabilität wird als Polymer PMMA bevorzugt.
Die Photovoltaik-Vorrichtung weist vorzugsweise eine Konzentratoroptik auf, die nach dem zuvor beschriebenen Verfahren herstellbar ist.
Die erfindungsgemäße Photovoltaik-Vorrichtung weist den gegenüber dem Stand der Technik vorliegenden Vorteil auf, dass die fokussierende Struktur aus einem Material mit einer höheren Brechzahl besteht, wodurch kürzere Brennweiten der fokussierenden Optik ermöglicht werden können. So beträgt die Brechzahl eines typischen Etylenvinylacetats n = 1,48, die eines typischen Ionomers sogar n = 1.54.
Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die erfindungsgemäß eingesetzten thermisch zumindest teilweise vernetzten Polymermaterialien eine gute Verträglich keit mit dem Substrat, z. B. Glas, aufweisen und auch unter solarer Einstrahlung und Temperaturwechselbelastung eine hohe Langzeitbeständigkeit und gute Haftungseigenschaften zeigen.
Erfindungsgemäß wird ebenso die Verwendung des zuvor beschriebenen Verfahrens zur Herstellung von Konzentratoroptiken für die konzentrierende Photovoltaik und die konzentrierende Solarthermie bereitgestellt.
Anhand des nachfolgenden Beispiels soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigte spezielle Ausführungsform einschränken zu wollen.
Beispiel 1
Eine als Substrat verwendete Glasplatte, auf der die fokussierende Struktur aufgebracht werden soll, wird in einen PV-Flachmodul-Laminator eingelegt. Auf die Glasplatte wird eine Laminierfolie aus Etylenvinylacetat (EVA, z. B. Vistasolar fast cure der Firma Etimex) plan aufgelegt. Hierauf wird eine Negativform, d. h. das strukturtragende Formwerkzeug aufgelegt. Die Negativform besteht aus einer Trägerstruktur aus Glas, mit einer Silikon-Ummantelung. Um zu verhindern, dass Laminierfolienmaterial seitlich in unerwünschtem Maße ausgetrieben wird, ist die Negativform seitlich abgeschlossen oder geeignet umfüttert. Diese Form ersetzt den ansonsten in einer PV-Flachmodulfertigung im Laminator oben liegenden Verbund (Zelle, nochmals Laminierfolie, Rückseitenfolie). Anschließend wird der Laminator geschlossen und der eigentliche Laminationsprozess gestartet. Hierbei werden die für das Material vorgegebenen Laminationsbedingungen gewählt, die aus einer genau definierten zeitlichen Abfolge der Anwendung von Druck/Vakuum und Temperatur basiert. Die erfindungsgemäß eingesetzten Laminierfolien sind dabei auf einen möglichst schnellen Laminations- und Vernetzungsprozess optimiert. Nach Ende der Lamination wird das Laminat entnommen und die fokussierende Struktur, d. h. die Fresnel-Linsenstruktur, in dem vernetzten Polymermaterial auf Glas, von der Negativform getrennt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

- A. W. Bett, H. Lerchenmüller, „The FLATCON®-System from concentrix solar”, in: A. Luque et al.: „Concentrator photovoltaics”, 2007, S. 301–319 [0002]

Claims

Verfahren zur Herstellung einer Konzentratoroptik, bei dem auf mindestens einer Oberfläche eines Substrats mindestens eine aus einem thermisch zumindest teilweise vernetzenden Polymermaterial bestehende Laminierfolie aufgebracht wird, durch thermische Anregung die Laminierfolie mindestens auf deren Erweichungstemperatur erwärmt wird, mittels einer Negativform eine fokussierende Struktur in die Laminierfolie geprägt wird, und durch Abkühlung eine Aushärtung der fokussierenden Struktur durch zumindest teilweise Vernetzung des Polymermaterials erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Polymermaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Etylenvinylacetat, thermisch vernetzenden Ionomere.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch vernetzenden Ionomere ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus ionomeren Copolymeren aus Ethylen und einer α,β-ungesättigten Carbonsäure oder einem Carbonsäureanhydrid dieser Carbonsäure, insbesondere Ethylen-Methacrylsäure-(co)polymere.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Ionomer Carbonsäuregruppen enthält, die mit Metallionen ausgewählt aus der Gruppe Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Zink zumindest teilweise neutralisiert sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierende Struktur in Form einer Linsenplatte mit mindestens einer Fresnellinse oder in Form einer linear fokussierenden Linsenplatte ausgeformt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Glas oder einem transparenten Polymer besteht.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Negativform aus einem Metall oder einer metallischen Legierung besteht, wobei die für die Prägung relevante Oberfläche derart behandelt ist, dass eine Haftung der Negativform an der Laminierfolie im Wesentlichen verhindert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Negativform aus einem Fluorpolymer oder einem Silikon besteht, so dass eine Haftung der Negativform an der La minierfolie im Wesentlichen verhindert wird.
Photovoltaik-Vorrichtung zur direkten Umwandlung von Sonnenenergie in elektrische Energie enthaltend eine Konzentratoroptik sowie mindestens eine Solarzelle, wobei die Konzentratoroptik ein Substrat und eine auf der dem Sonnenlicht abgewandten Oberfläche des Substrats angeordnete fokussierende Struktur aus mindestens einem thermisch vernetzten oder teilvernetzten Polymermaterial aufweist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierende Struktur eine Brechzahl im Bereich von 1.45 bis 1.60 aufweist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das thermisch vernetzte oder teilvernetzte Polymermaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Etylenvinylacteat und thermisch vernetzten oder teilvernetzten Ionomeren.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die thermisch vernetzten oder teilvernetzten Ionomere ausgewählt sind aus der Gruppe bestehend aus ionomeren Copolymeren aus Ethylen und einer α,β-ungesättigten Carbonsäure oder einem Carbonsäureanhydrid dieser Carbonsäure, insbesondere E thylen-Methacrylsäure-(co)polymere.
Photovoltaik-Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ionomer Carbonsäuregruppen enthält, die mit Metallionen ausgewählt aus der Gruppe Natrium, Kalium, Calcium, Magnesium, Zink zumindest teilweise neutralisiert sind.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierende Struktur in Form mindestens einer Laminierfolie auf dem Substrat angeordnet ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die fokussierende Struktur in Form einer Linsenplatte mit mindestens einer Fresnellinse oder in Form einer linear fokussierenden Linsenplatte ausgeformt ist.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat aus Glas oder einem transparenten Polymer besteht.
Photovoltaik-Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Konzentratoroptik nach einem der Ansprüche 1 bis 8 herstellbar ist.
Verwendung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8 zur Herstellung von Konzentratoroptiken für konzentrierende Photovoltaik und die konzentrierende Solarthermie.