DE102008045997A1

DE102008045997A1 - Verkapselte Solarzelle

Info

Publication number: DE102008045997A1
Application number: DE102008045997A
Authority: DE
Original assignee: BLUENERGY AG
Current assignee: BLUENERGY21 AG, CH
Priority date: 2007-10-23
Filing date: 2008-09-05
Publication date: 2009-04-30
Also published as: WO2009053321A2; WO2009053321A3; US20100200061A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine verkapselte Solarzelle mit folgender Schichtstruktur: - eine untere Lage aus thermoplastischem Silikon, - eine Solarzelle, - eine obere Lage aus thermoplastischem Silikon, - eine Deckschicht aus einem Fluorpolymer, wobei die Solarzelle zwischen der unteren Lage und der oberen Lage allseitig dicht eingeschlossen ist und wobei die obere Lage mit der Deckschicht verbunden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine verkapselte Solarzelle sowie auf ein Verfahren zum Herstellen einer derartigen verkapselten Solarzelle. Verkapselte Solarzellen dieser Art und entsprechende Verfahren zu ihrer Herstellung sind allgemein bekannt, nur beispielhaft wird verwiesen auf EP 0 219 734 A2 ; US 4,574,160 ; DE 42 34 068 A1 ; DE 41 40 682 A1 und PCT/EP 94/02942 .
Das Problem bei verkapselten Solarzellen liegt u. a. einerseits in den fotochemischen Einflüssen des Sonnenlichts, insbesondere des UV-Anteils des Sonnenlichts, und andererseits in der oberflächlichen Verschmutzung. Es ist bekannt, dass Solarzellen von Zeit zu Zeit gereinigt werden müssen, um die oberflächliche Verschmutzung zu beseitigen. Solarzellen sind im Allgemeinen schräg im Freien aufgestellt. Haben sie einen Rahmen, so sammelt sich an der unteren Stufe, also am unteren Teil des Rahmens im Übergang zur Oberfläche der Solarzelle Schmutz an. Derartige Stufen sind nachteilig.
Weiterhin gibt es auch andere Probleme mit Solarzellen, beispielsweise die Aufheizung durch den IR-Anteil des Sonnenlichts. Es stellen sich aber auch ästhetische Fragen wie Anpassung an die Farbe des Untergrunds oder gleichmäßige Anfärbung bzw. Farbgebung. Die verkapselte Solarzelle muss völlig dicht gegen Umwelteinflüsse sein, die Verkapselungsmaterialien dürfen kein Wasser oder andere Flüssigkeiten aufnehmen.
Hiervon ausgehend hat sich die Erfindung die Aufgabe gestellt, eine verbesserte verkapselte Solarzelle sowie ein verbessertes Verfahren zu ihrer Herstellung anzugeben. Diese Aufgabe wird gelöst durch die Verkapselte Solarzelle mit folgen der Schichtstruktur:

– eine untere Lage aus thermoplastischem Silikon,
– einer oberen Lage aus thermoplastischem Silikon,
– einer Deckschicht aus einem Fluorpolymer,

Sie wird weiterhin gelöst durch das Verfahren zur Herstellung einer verkapselten Solarzelle mit folgenden Schritten: Eine untere Lage aus thermoplastischem Silikon wird auf eine Unterlage, insbesondere auf ein Substrat, aufgelegt, auf diese untere Lage wird eine Solarzelle aufgelegt, dabei steht die untere Lage allseitig gegenüber der Solarzelle vor, auf die Anordnung wird eine obere Lage aus thermoplastischem Silikon gelegt, auf diese steht allseitig gegenüber der Solarzelle vor, weiterhin wird jeglicher Einschluss von Luft zwischen der unteren Lage und der oberen Lage vermieden, auf die Anordnung wird eine Deckschicht aus einem Fluorpolymer aufgelegt, wobei ebenfalls vermieden wird, dass zwischen der Deckschicht und der oberen Lage Luft eingeschlossen ist, die Anordnung wird auf eine Temperatur erhitzt, bis das Silikonmaterial schmelzflüssig wird, insbesondere 160 bis 180°.
Die erfindungsgemäße Kombination aus einem Fluorpolymer und aus thermoplastischem Silikon hat sich als ausgesprochen erfolgreich erwiesen. Es werden spezielle Fluorpolymere eingesetzt, die nicht vergilben, die also auch bei UV-Bestrahlung möglichst wenige, vorzugsweise keine fotochemischen Reaktionen zeigen. Es eignen sich insbesondere Fluorpolymere, bei denen in der Formel ein E, wenn es überhaupt vorkommt, nicht am Anfang, sondern in der Mitte und/oder am Ende steht. Die Vergilbung von Fluorpolymeren, wie beispielsweise EFEP, das nicht eingesetzt werden soll gemäß der Erfindung, wird zurückgeführt auf ein Abspalten der week endgroups, also schwacher Endgruppen, die Säurederivate unter UV-Licht abspalten. Dies führt zu einem Silbrigwerden der Solarzellen. Dabei wird auch eine evtl. vorhandene Antireflexbeschichtung zerfressen.
Schließlich ermöglicht die Erfindung eine Veredelung von glasklaren Scheiben, insbesondere Glasscheiben, wie sie beispielsweise als Fensterscheiben eingesetzt werden. Entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 23. Hierbei können deutlich geringere Foliendicken als bei der erfindungsgemäßen Verkapselung von Solarzellen eingesetzt werden, beispielsweise Polyenstärken, die nur 1/5 bis 1/10 so dick sind wie bei der Verkapselung, insbesondere Schichten aus Fluorpolymer mit den Dicken 10 bis 20 μm und entsprechende Schichten aus thermoplastischem Silikon mit gleicher Stärke.
Grundsätzlich kann das thermoplastische Silikon in beliebiger Form aufgebracht werden, beispielsweise als Folie, es kann als Lack gesprüht werden, es kann aufgestrichen werden, es kann aber auch in irgendeinem anderen Schichtverfahren aufgebracht werden, beispielsweise auch durch Aufbringen von Körnern, die unter Temperatureinfluss sich zu einer Fläche ausbreiten.
Die Erfindung bezieht sich auf eine Kombination von Silikon- und Fluorpolymerfolien für die Verkapselung von Solarzellen zu Modulen. Vorzugsweise ist gleichzeitig ein Kantenschutz gegen mechanische und chemische Einflüsse sowie Witterungseinflüsse möglich, wenn mindestens eine Folie um die Kanten der Solarzelle herumgefaltet bzw. -geschlagen wird bis auf die andere Hauptfläche der Solarzelle.
Die Verkapselung der Solarzellen auf einem Substrat (Glas, Metall, Kunststoff etc.) erfolgt über eine Folienkombination von einer thermischen niedrig schmelzenden Silikonfolie (ca. 160 Grad, Umschmelzungsfolie um die Solarzelle) und einer hochschmelzenden (ca. 300 Grad) Fluorpolymerfolie als Außenabdeckungsfolie.
Die oberhalb der Solarzellen befindliche Silikon- und vorzugsweise auch die Fluorpolymerfolie sind flächenmäßig ca. 10–15 mm allseitig größer als die Solarzelle. Die Silikonfolie und vorzugsweise auch die Fluorpolymerfolie stehen gegenüber der Solarzelle seitlich über. Weiterhin ist die Silikon- und vorzugsweise auch die Fluorpolymerfolie flächenmäßig ca. 10–15 mm allseitig größer als das Substrat. Dieser Überstand kann um das Substrat so herumgefaltet bzw. umgebörtelt werden, dass mindestens eine, vorzugsweise beide Folien um die Kanten herum gezogen werden und mit der Unterseite des Substrates flächig verbunden werden. Hierdurch entsteht ein hervorragender Kantenschutz der Module, der eine Rahmung mit einem festen Profil, z. B. einem Al-Profil, überflüssig macht.
Bei einer Rahmung mit einem Profil umgreift das Profil das Modul und es entsteht eine Stufe bzw. Kante auf der Innenseite des Moduls. Das ablaufende Wasser staut sich an dieser Stufe und der Dreck setzt sich daran ab. Eine undurchsichtige Schmutzschicht wächst so im Laufe der Zeit von der unteren Kante über die Solarzelle und verschattet sie, was mit erheblichen Leistungseinbußen verbunden ist. Der erfindungsmäßige Aufbau ergibt eine glatte Oberfläche ohne jede Staukante zur Schmutzablagerung. Kein Säubern ist mehr notwendig und kein Leistungseinbruch durch Schmutzstreifen kann mehr erfolgen. Vorteilhafterweise können die Solarzellen bis an den äußersten Rand des Moduls einlaminiert werden. Dies führt zu einer Verkleinerung des Moduls bzw. einer Steigerung des Modulwirkungsgrades.
Für den mechanischen und chemischen Kantenschutz von üblichen Modulen können Streifen von Silikon- und/oder Fluorpolymerfolien um die Kanten des Substrates (Glas, Metall, GFK, Holz etc.) verwendet werden. Ein passender Streifen aus Silikonfolie und Fluorpolymerfolie wird um die Kanten des Moduls als mechanischer und chemischer Kantenschutz herumgezogen. Dieser Kantenschutz ist chemisch und mechanisch fest durch den Schmelzvorgang mit dem Modul so verbunden, dass kein Wasser oder Feuchtigkeit in das Modul eindringen kann. Dies ist im Gegensatz zu einem aufgesetzten Metallrahmen, der keine Verbindung zum Modul hat, sodass Wasser eindringen kann.
Vorzugsweise hat die Fluorpolymerfolie einen wesentlich höheren Schmelzpunkt als die Silikonfolie. Die Laminiertemperatur richtet sich nach der Schmelztemperatur der Silikonfolie, z. B. 160 Grad, die Fluorpolymerfolie hat eine Schmelztemperatur von z. B. 300 Grad. Alle Temperaturangaben sind in Grad Celsius. Durch den Laminiervorgang wird die Dicke der hochschmelzenden Fluorpolymerfolie nicht verändert, sodass über alle Erhebungen der Solarzellen sowie bei der Umbörtelung immer die gleiche Stärke der Fluorpolymerfolie gegeben ist. Dies ist wichtig, damit kein ungewollter elektrischer Kontakt (auch bei Hochspannung) im Modul, auch nicht an Dünnstellen, möglich ist. Bei der Umbörtelung ist eine gleichmäßige Folienstärke und damit der Kantenschutz optimal und bleibt gewährleistet.
Mit der Umbörtelung können die Strombänder von der Oberseite um die Kante herum auf die Rückseite des Moduls geführt werden. Durch die gleichbleibende Stärke der umbörtelten Fluorpolymer-Folie erfolgt kein Hochspannungsdurchschlag. Vorzugsweise sind die obere Fluorpolymerfolie und obere Silikonfolie größer sind als das Modul, z. B. allseits ca. 15 mm. Diese Folien werden um die Kanten des Substrates (Glas, Metall, GFK etc.) herumgeschlagen. Der Verbund mit dem Substrat ist unlösbar und mechanisch so fest, dass keine Rahmung des Moduls notwendig wird (Kosteneinsparung). Weiterhin wird eine glatte Ablauffläche geschaffen. Kein Dreck kann sich wie an Alu-Rahmen entstehen. Glatter Ablauf des Regenwassers. Die Solarzellen können bis dicht an den Rand einlaminiert werden, z. B. ca. 2 mm, dies ermöglicht eine Verkleinerung der Modulfläche bei gleicher Leistung.
Vorteilhafterweise werden Fixierungen oder Befestigungselemente auf der Unterseite der Umbörtelung mit einlaminiert. Die Befestigung der Module erfolgt auf den Aufständerungen oder an entsprechenden Fixierungen und Halterungen. Dies ergibt absolut glatte Modulflächen bei der Aufständerung, keine Schmutzkanten Fließstauverschmutzungen.
Vorteilhafterweise werden Haftvermittler zur chemischen Verhaftung der Silikonfolie an dem Substrat, z. B. Glas, eingesetzt. Dem Substrat angepasste Haftvermittler verbinden den Folienverbund mit dem Substrat unlösbar. Der Haftvermittler wird vorteilhafterweise in die Silikonfolie eingearbeitet.
Vorteilhafterweise erfolgt die Laminierung der Kombination von Silikon und Fluorpolymerfolien kontinuierlich. Die Silikonfolie um die Solarzelle ist weich thermoplastisch, es wird eine kontinuierliche Verkapselung mit enormen Kosteneinsparungen realisiert. Hierzu wird die Silikonfolie mit einer rauen Oberfläche, z. B. Pyramidenstruktur, versehen, die einen Einschluss von Luftblasen verhindert. Bei dem Aufschmelzen und Zusammenpressen wird die Luft zwischen den Pyramidenstrukturen abgesaugt im Vakuum und mechanisch herausgepresst.
Vorzugsweise wird in die Oberfläche der Fluorpolymerfolie eine Art Rasterstruktur eingebracht, die entsprechend nach dem Brechungsindex der Fluorpolymerfolie optimiert ist, dies ermöglicht drei wesentliche Eigenschaften und Verbesserungen:

1) Licht wird aus allen Winkeln in der Oberfläche absorbiert und auf die Solarzellen gelenkt, dies ergibt eine höhere Ausbeute und ist für nicht optimal ausgerichtete Module zur Sonne ein wesentlicher Vorteil z. B. bei Fassaden etc.
2) Durch die höhere Absorption des Lichtes verringert sich die Reflektion des Lichtes an der Oberfläche und die Module spiegeln kein Licht mehr je nach Stand der Sonne. Dies ergibt optisch ansprechende schöne attraktive Modu le z. B. bei Fassaden. etc. Keine störenden Glasflächen und Einsatz der Photovoltaik an Flughäfen, wo spiegelnde Flächen verboten sind.
3) Die Raster- bzw. Dendritenstruktur hat Abmessungen, die im Lichtwellenbereich liegen, z. B. 400 bis 800 nm, und erzeugt als Nanostruktur einen Lotusblüteneffekt, der zusätzliche zu der guten Schmutzabweisung der Fluorpolymerfolie noch eine zusätzliche Schmutzabweisung und Selbstreinigung ergibt. Die Leistung eines Photovoltaikmoduls hängt weitgehend von der Durchsichtigkeit der Oberfläche ab. Verschmutzt die Oberfläche, sinkt die Leistung des Moduls.

Die Dendriten- bzw. Raster-Oberflächenstrukturen sind unabhängig von der oben beschriebenen Anordnung auch zur Lichtabsorption aus allen Winkeln und zur Erzeugung eines Lotusblüteneffektes zur besseren Schmutzabweisung bzw. Selbstreinigung und Entspiegelung von normalen handelsüblichen Glasscheiben einsetzbar. Wie bei der Verkapselung der Solarzellen kann auf zumindest einer Oberfläche jeder handelsüblichen Glasscheibe die Kombination aus einer Silikon- und darauf einer Fluorpolymerfolie mit der Raster-Dendritenstruktur aufgebracht werden und es entstehen Glasscheiben und Fenster, die nie mehr geputzt werden müssen. Es können deutlich dünnere Folien, z. B. 10 bis 30 Mikrometer dick, eingesetzt werden.
Die Fluorpolymerfolie schließt die Silikonfolie vorzugsweise hermetisch in sich ein, dadurch wird ein Abfließen bzw. Wandern der Silikonfolie bei Wärmeinwirkung und Last verhindert. Die Silikonfolie bleibt ein unvernetztes Material und kann durch Wärmeeinwirkung fließen. Durch die Einbettung- bzw. Umschließung mit der hochschmelzenden Fluorpolymerfolie kann es nicht zu einem Fließen der Silikonfolie oder Verschieben der Solarzelle kommen.
Vorzugsweise werden die Silikon- und/oder Fluorpolymerfolien mit „cementary plasma treatment" behandelt, dies führt zu einer verbesserten Haftung des Verbundes. Dabei wird die Oberfläche der Fluorpolymerfolie zur Silikonfolie über eine physikalische Behandlung behandelt, z. B. durch Corona Plasma Behandlung oder Kombinationen, dadurch wird eine Schmelzverbindung mit hohen Temperaturen überflüssig.
Vorzugsweise wird in der Kombination von Silikon- und Fluorpolymerfolien die Kontaktfläche der Fluorpolymerseite zur Silikonfolie mit SiO2 bedampft und da durch eine verbesserte Haftung der beiden Folien erreicht, da die Silikonfolie eine starke Affinität zum SiO2 hat.
Vorzugsweise wird in der Kombination von Silikon- und Fluorpolymerfolien eine Mischpolymerisat-Folie, die aus einer Kombination des Granulates von Silikon und Fluorpolymer hergestellt ist, als Haftungszwischenschicht eingesetzt. Hierzu wird aus bei den Materialien eine Mischfolie produziert und diese dann zwischen die Fluorpolymerfolie und Silikonfolie als haftende Zwischenschicht eingebaut.
Vorzugsweise erfolgt in der Kombination von Silikon- und Fluorpolymerfolien eine farbliche Abstimmung. Die Silikonfolie unter den Solarzellen ist vorzugsweise farbig eingestellt mit nicht leitenden Farbpigmenten zur optischen farblichen Anpassung zum Untergrund z. B. rot für Dachziegelanwendung.
Vorzugsweise ist in der Kombination von Silikon- und Fluorpolymerfolien eine farbige Folie enthalten, insbesondere einlaminiert (Tedlar schwarz – blau etc.) Der farbige Untergrund wird durch die Einlaminierung einer farbigen Folie erreicht.
Vorzugsweise ist in der Kombination von Silikon- und Fluorpolymerfolien das tragende perforierte Substrat mit der Silikonfolie unzertrennbar durchflossen. Um das tragende Substrat (Metall-Kunststoffplatten) unlöslich in den Verbund einzubauen, wird das Substrat perforiert, sodass die Laminierfolie durch die Löcher fließen kann und sich auf der Rückseite mit gleicher Folie unlöslich verbinden kann.
Vorzugsweise ist in der Kombination von Silikon- und Fluorpolymerfolien die farbige Folie zwischen den Folien, insbesondere Silikonfolien, perforiert, sodass eine unlösbare Verbindung der einlaminierten Farbfolie garantiert ist.
Vorzugsweise wird in der Kombination von Silikon- und Fluorpolymerfolien durch Herumschlagen der Folie bzw. Folien und/oder durch ein Umgreifen der mindestens einen Glasscheibe ein Kalt- bzw. Warmfluss mit Verschiebungen verhindert. Bei einem Modulaufbau von zwei Glasplatten mit zwischenliegenden Solarzellen erfolgt eine Umbörtelung wie oben beschrieben.
Durch eine Perforierung im Umbördelungsbereich des Substrates kann eine innige unlösbare Verschmelzung von oberer Seite und unterer Seite längs des Kantenbereiches geschaffen werden, auch bei möglicher Delamination kann kein Zer fall des Moduls erfolgen, da die obere Schmelzfolie mit der umbörtelten Schmelzfolie durch die Perforation miteinander verbunden bzw. verschmolzen werden.
Vorzugsweise ist in der Kombination von Silikon und Fluorpolymerfolien mittels eines Haftvermittlers eine innige unlösbare Verbindung zum Substrat geschaffen. Reicht die Affinität der Silikonschmelz-Einbettungsfolie nicht aus, so wird die Haftung durch entsprechende Haftvermittler optimiert. (z. B. Silane etc.) Vorzugsweise ist in der Kombination von Silikon und Fluorpolymerfolien durch Einbringung eines thermisch stabilen Schutzes (Silikonkautschuk, Glasfasergewebe etc. im Kantenbereich von ca. 10 mm) ein Kalt- und Warmfluss verhindert.
Vorzugsweise ist bei einem Glas-Glasverbund die Silikonfolie beidseitig geraut, z. B. pyramidenförmig strukturiert, damit bei einem Zusammenpressen die Luft allseitig entweichen kann.
Vorzugsweise werden aminfreie Silikonfolien eingesetzt. Durch die ständige UV-Belastung in der Außenanwendung sind aminhaltige Kunststoffe nicht vergilbungsfrei. Durch Vermeidung aminhaltiger Zusätze wird die Silikonfolie geeignet für die Anwendung in der Photovoltaik.
Vorzugsweise werden Haftvermittler in die Silikonfolie eingearbeitet. Um den zusätzlichen Arbeitsgang einer Haftvermittlungsauftragung auf das Substrat und Solarzelle zu vermeiden, ist es vorteilhaft, die geeigneten Haftvermittler in die Einbettungs-Silikonfolie einzuarbeiten.
Vorzugsweise entfällt durch Umbörteln der Kanten ein Arbeitgang; nämlich das Abschneiden der überstehenden Folien an den Kanten des Substrates. Bei der normalen üblichen Verkapselung der Solarzellen fließen die Laminierfolien bei Erwärmung und Verpressung über die Substratkanten hinaus und müssen in einem zusätzlichen Arbeitsgang abgeschnitten und entfernt werden. Dieser aufwendige Arbeitsgang entfällt bei der erfindungsgemäßen Ümbörtelung.
Vorzugsweise wird das Substrat mit farbigen Lacken aus dem gleichen Silikon-Material vorher beschichtet. Zur farblichen Anpassung des Substrates an die Farbe der Solarzellen wird das Substrat mit einem farbigen Lack aus dem gleichen Silikonmaterial beschichtet wie die Silikonlaminierfolie. Dies ergibt harmonische ästhetische Module.
Vorzugsweise wird durch Koextrusion eine Kombinationsfolie derart hergestellt, dass die Grenzflächen der Fluorpolymerfolie und Silikonfolie molekular unlösbar im Extruder miteinander verschmolzen werden.
Vorzugsweise werden in der Kombination von Silikon- und Fluorpolymerfolien durch molekulare Oberflächenmaterial-Vermischung beide Folien unlösbar miteinander verbunden. Eine lackartige Schicht aus Fluorpolymer und Silikon in Nanostruktur mit intensiver Vermischung wird zwischen die beiden Folien aufgebracht und bei der thermischen Laminierung als Haftschicht so genutzt, dass beide Folien unlösbar miteinander verbunden werden.
Vorzugsweise ist die Fluorpolymerfolie aus „week endgroup freiem" Material, also Material ohne schwache Endgruppen, gefertigt. Durch UV-Einwirkung werden im week endgroup belasteten Fluorpolymer-Material Säurederivate frei, die zwei negative Eigenschaften verursachen: 1) Das Flurpolymer-Material wandelt sich von hydrophob zu hydrophil und nimmt damit Schmutz auf der Oberfläche auf. 2) Im Material ätzen diese Säurederivate Solarzellen so an, dass sie an Wirkungsgrad verlieren und sich Delaminationen ergeben.
Vorzugsweise ist die obere Fluorpolymerfolie mit einer Infrarot-Reflektionschicht ausgerüstet, damit die Wärmestrahlung reflektiert wird und die Solarzellen nicht überhitzt werden. Dies ergibt eine Leistungssteigerung der Module besonders in den heißen Gebieten des Sonnengürtels.
Vorzugsweise sind in der Kombination von Silikon- und Fluorpolymerfolie beide Materialien nicht hygroskopisch und nehmen kein Wasser und keine Feuchtigkeit auf, damit keine Korrosion an den Solarzellen erfolgen kann. Größter Feind in der Langzeitbeständigkeit von Modulen ist die Aufnahme von Wasser und/oder Schadstoffen.
Vorzugsweise wird über die Solarzellen ein Glasfasergewebe eingebaut, welches den Ausdehnungskoeffizienten des Substrates und des Folienverbundes angleicht. Durch den Wechsel von kalt zu warm und den damit verbundenen Ausdehnungen entstehen an den Solarzellen Spannungen, die zu Delaminationen führen können. Dies kann vermieden werden. Mechanische Belastungen auf die Oberfläche werden abgefangen.
Vorzugsweise ist das Silikon so eingestellt, dass es mechanische Einwirkungen abfängt. Hagel kann die Module zerstören, so muss das Einbettungsmaterial stoßdämpfend eingestellt werden.
Vorzugsweise sind in der Kombination von Fluorpolymer und Silikonfolie zur Einbettung von Solarzellen die Oberflächen der Fluorpolymerfolie so eingestellt, dass sie durch zähstrukturierte Oberfläche abriebfest sind und Sandstürme keine Zerstörung verursachen.
Vorzugsweise wird in der Kombination von Fluorpolymer und Silikonfolie zur Einbettung von Solarzellen aufgrund einer unglatten Oberfläche mit Kanälen, die ein Luftabsaugen zulassen, z. B. Pyramidenstrukturen, eine Roll-Bandlamination (nahezu kontinuierliche Produktion) realisiert. Normalerweise werden Photovoltaik-Module in Vakuumkammern hergestellt, indem zunächst durch das Vakuum die Luft zwischen den Laminierfolien und Solarzellen herausgezogen wird und dann der Verbund erwärmt und zusammengepresst wird. Dieser Arbeitsgang ist kostenintensiv und energieaufwendig. Durch die thermoelastische Silikonfolie mit pyramidenartigen Oberflächenstrukturen kann die Luft während des Roll-Zusammenpressens (kontinuierliche Roll-Lamination) ständig herausgesaugt und -gepresst werden, sodass keine Lufteinschlüsse erfolgen können. Dies ermöglicht eine kostengünstigere Produktion.
Vorzugsweise ist das Substrat ein Metall. Zum elektrischen Schutz wird unter die Solarzellen ein Glasfasergewebe gelegt, welches von der Silikonfolie durchflossen wird. Bei metallischem Substrat oder Hintergrund muss eine Berührung der stromführenden Solarzellen zum Hintergrund vermieden werden, damit keine Kurzschlüsse und Leistungsabfälle entstehen können.
Vorzugsweise ist in der Kombination von Fluorpolymer und Silikonfolien das Substrat ein perforiertes Metall. Zum elektrischen Schutz wird unter die Solarzelle ein Glasfasergewebe gelegt, welches von dem Silikonmaterial durchflossen wird und eine Haftung auf dem Metallblech bewirkt. Hinter das perforierte Blech wird ebenfalls eine Silikonfolie mit einer Abschlussfolie, z. B. Tedlar, gelegt. Hierdurch wird das perforierte Blech mit dem Silikon durchflossen und eine unlösbare Verbindung geschaffen.
Vorzugsweise ist das Substrat ein GFK (glasfaserverstärkter Kunststoff). Vorzugsweise bleiben in der Kombination von Silikon und Fluorpolymerfolien beide Folien, zumindest aber die Silikonfolie, thermoplastisch und werden nicht dreidi mensional vernetzt. Diese Eigenschaft der Folien erlaubt durch entsprechende Wärmeeinwirkung, dass beide Materialien recycelt werden und wieder verwendet werden können.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen sowie der nun folgenden Beschreibung von nicht einschränkend zu verstehenden Ausführungsbeispielen der Erfindung, die unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Folgenden erläutert werden: In dieser Zeichnung zeigen:
1: Ein teilweises Schnittbild durch eine verkapselte Solarzelle,
2: eine Darstellung wie 1, jedoch nun mit um eine Seitenkante herumgezogenen Lötbändern und anderer Gestaltung der Schichtanordnung,
3: ein Schnittbild durch eine Glasscheibe, einer darauf befindlichen Schicht aus thermoplastischen Silikon und einer Deckschicht aus den Fluorpolymeren und einer Laminierstation, gezeigt ist auch dabei der Vorgang des kontinuierlich durchführbaren Laminierens.
4: eine Draufsicht auf einen Eckenbereich eines Substrats, das auf eine schräg abgeschnittenen Eckenbereich einer thermoplastischen Sillkonfolie aufgelegt ist, zur Erläuterung des Herumführens der Folie um die Kanten,
5: Die Anordnung gemäß 4, jedoch sind nunmehr die Randbereiche auf die oben liegende Rückseite des Substrats umgeschlagen, erkennbar ist eine spitze Ecke,
6: Die Anordnung nach 4, jedoch ist nunmehr die Faltung sorgfältig durchgeführt, die umgeschlagenen Bereiche liegen auf der Rückseite des Substrats flächig auf und
7: die Anordnung wie 6, jedoch nun nach dem thermischen Behandeln, die Stoßkante im Bereich der Diagonale ist nicht mehr erkennbar, dort ist das Material zusammengeflossen, die spitze Ecke ist nun abgerundet, es ist eine Verbindung und allseitige Dichtigkeit erreicht.
Die in 1 dargestellte verkapselte Solarzelle hat ein Substrat 20, das beispielsweise ein Aluminiumblech ist, es hat ggf. Durchbrüche 22, durch die das Material der Lagen aus thermoplastischem Silikon hindurchfließen kann.
Auf der oberen Hauptfläche des Substrats 20 befindet sich eine untere Lage 24 aus thermoplastischem Silikon und mit einer Dicke von etwa 500 μm. Wie 1 zeigt, ist diese untere Lage 24 flächenmäßig größer als das Substrat 20. Sie ist um die Kanten 26 des Substrats herumgeschlagen und liegt mit Endbereichen 28 an der Unterfläche des Substrats 20 an. Der Kontakt zwischen der unteren Lage 24 und dem Substrat 20 ist blasenfrei. Dort ist eine Verbindung erreicht.
Auf die untere Lage 24 ist eine Solarzelle 30 aufgelegt. Es handelt sich um eine Solarzelle nach dem Stand der Technik. Sie kann flächenmäßig geringfügig kleiner sein als das Substrat 20, sie kann aber auch praktisch so groß sein wie dieses Substrat 20. Auf diese Solarzelle 30 und auf die untere Lage 24, soweit sie nicht durch die Solarzelle 30 belegt ist, ist eine obere Lage 32 aufgebracht. Sie ist aus dem gleichen Material wie die untere Lage 24 und hat auch die gleiche Materialdicke. Ggf. kann sie aber auch dünner sein als die untere Lage, beispielsweise 30% dünner, 50% dünner oder sogar 100% dünner. Auch sie ist vollflächig mit der Solarzelle 30 verbunden, ebenso wie die untere Lage 24, weiterhin sind die beiden Lagen 24, 32 die nicht miteinander verbunden bzw. verschmolzen an den Stellen, die außerhalb der Solarzelle 30 sind. Die Striche dienen im Wesentlichen dazu, die einzelnen Lagen tatsächlich voneinander unterscheiden zu können. In der tatsächlichen Ausbildung, also beim Produkt, sind praktisch keine Unterschiede mehr zwischen den beiden einzelnen Lagen 24 und 32, insbesondere 24 und 32, zu erkennen, wenn diese thermisch behandelt sind, wie im Folgenden noch beschrieben wird.
Im hier gezeigten Beispiel erstreckt sich die obere Lage 32 nicht um die Kanten 26 bzw. Ecken 52 des Substrats 20 herum, sie ist im Wesentlichen flächengleich mit dem Substrat 20.
Auf die obere Lage 32 ist eine Deckschicht 34 aus einem Fluorpolymer aufgelegt. Sie hat eine Stärke von 100–150 μm. Ihre Kontaktfläche mit der oberen Lage 32 ist besonders behandelt, beispielsweise plasmabehandelt oder dergleichen, um eine möglichst innige Verbindung mit dem Material der beiden Lagen 24, 32 zu erreichen. Als Deckschicht 34 können auch co-extrudierte Folien verwendet werden, die an ihrer Unterfläche eine Silikonschicht des hier benutzten Silikonmaterials aufweisen.
Die gesamte Anordnung ist durch Wärmebehandlung im Bereich von 160 bis 180°C so zum Verschmelzen und Zusammenhalten gebracht, dass einerseits keine Luftblasen eingeschlossen sind und andererseits ein dichter Verbund entsteht. Dies erfolgt nach dem Stand der Technik.
Im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel ist im Ausführungsbeispiel nach 2 die obere Lage 32 flächenmäßig etwa so groß wie die untere Lage 24, damit kann auch die obere Lage 32 um die Kanten des Substrats 20 herumgezogen werden, wie dargestellt ist. Die Solarzelle 30 hat elektrische Kontaktbänder 36, diese verlaufen zwischen den beiden Lagen 24, 32 und sind erfindungsgemäß um die Kante 26 des Substrats 20 herumgeschlagen, so dass eine elektrische Kontaktierung von der Rückseite des Substrats 20 möglich ist, entsprechende Kontaktenden sind dargestellt.
Im Ausführungsbeispiel nach 3 sind wesentliche Schritte dargestellt, die auch für das Verkapseln von Solarzellen geeignet sind. Dies gilt insbesondere für eine kontinuierliche Rollenlamination. Dargestellt ist eine Glasscheibe 40. Auf eine ihrer Hauptflächen, ggf. aber auch auf beide, ist eine untere Lage 24 aus dem oben beschriebenen, thermoplastischen Fluorpolymer aufgebracht. Sie hat eine Dicke von 10 bis 20 μm. Auf diese untere Lage 24 ist eine Deckschicht 34 aus dem Fluorpolymer, wie er oben beschrieben wurde, aufgebracht und mit ihr verbunden. Durch thermische Behandlung im angegebenen Temperaturbereich sind die Schichten innig miteinander verbunden und teilweise verschmolzen. Es sind keine Luftblasen eingeschlossen.
Es wird eine Rollenlamination verwendet. Gezeigt ist eine Rolle 42, mit der die untere Lage 24 und die obere Lage 32, die bereits durch Lamination verbunden sind, auf die Glasscheibe 40 kontinuierlich aufgelegt werden. Dies erfolgt in einem Vakuum.
Weiterhin ist gezeigt, wie die untere Lage 24 und die obere Lage 32 gemeinsam über einen Tisch 46 geführt werden und dort durch eine Rolle 44 laminiert werden. Für das Laminierverfahren hat die Deckschicht 34 an ihrer Unterfläche vorzugsweise eine Aufrauung, die kontinuierliche Kanäle bildet, beispielsweise eine periodische prismatische Struktur oder dergleichen. Dadurch wird erreicht, dass Luftblasen, bevor sie sich überhaupt abschließen können, leergesaugt werden und somit ein inniger Verbund der Schichten erreicht wird.
Vorzugsweise kann in allen beschriebenen Ausführungsbeispielen auch zumindest eine der Lagen 24, 32 eine derartige Aufrauung haben, um den Einschluss von Luftblasen bei der Herstellung zu verhindern.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Umschlagtechnik bzw. Umbörtelung der Folien erläutert, dies erfolgt anhand der 4 bis 7:
4 zeigt ein Substrat 20, das beispielsweise eine Rechteckform hat. Dargestellt ist allerdings nur ein oberer rechter Eckenbereich dieses Substrats 20. Es ist aufgelegt auf eine flächenmäßig größere Folie der unteren Lage 24. Auch diese hat damit ein Rechteckzuschnitt im hier gewählten Beispiel. Allerdings sind die Eckenbereiche abgeschnitten. Hier sind Dreiecke 50 weggeschnitten, in 4 ist ein derartiger Eckenbereich gestrichelt dargestellt sind. Das Wegschneiden erfolgt allerdings so, dass zwischen der Ecke 52 des Substrats und der Schnittlinie 54 ein Abstand von mehreren Millimetern, beispielsweise 2 bis 8 mm, verbleibt, wie aus 4 ersichtlich ist.
5 zeigt, wie Endbereiche 28 auf die rückwärtige Seite des Substrats 20 umgeschlagen werden, in 5 ist der Faltvorgang in einem Zwischenzustand dargestellt. Gezeigt ist eine relativ spitze Ausbildung einer Folienecke, hier steht bewusst zuviel Material zur Verfügung. Die gegenüberliegenden Kanten, die auf der Schnittlinie 54 liegen, sind noch nicht in Kontakt miteinander.
6 zeigt den vollständigen gefalteten Zustand. Nun berühren sich die beiden Teile der Schnittlinie 54. Die Folienecke ist nach wie vor überstehend.
Nach der thermischen Behandlung, diesen Zustand zeigt 7, ist das Material, das sich zuvor im Bereich der Schnittlinie 54 nur berührte, nunmehr homogen zusammengeflossen. Im Eckbereich ist eine Abrundung erfolgt. Die untere Lage 24 liegt nun so am Substrat 20 an, wie dies auch z. B. in 1 dargestellt ist.
Es ist möglich, auch die rückwärtige Seite des Substrats 20 mit einer Silikonfolie zu überziehen, dies wird ausgehend von dem Zustand gemäß 7 durch Auflegen einer geeigneten zugeschnittenen Folie aus dem gleichen Silikonmaterial erreicht, das flächig die Endbereiche überlappt und sich durch die thermische Behandlung mit dieser verbindet bzw. mit diesen verschmilzt.
Die verwendeten Folien bzw. Materialien weisen keine Wasserabsorption auf. Die beschriebenen Ausführungsbeispiele kommen ohne metallischem Rahmen oder überhaupt Rahmen aus.
Die Außenfläche der Folie aus Fluorpolymer ist mit einer speziellen Struktur versehen, die ebenfalls eine Rauigkeit aufweist. Bevorzugt wird eine Dendritenstruktur benutzt. Derartige Strukturen werden hergestellt bzw. von Verfahren, die die Firma Holtronic anbietet (www.holtronic.ch). Erreicht wird ein Lotuseffekt. Die Abmessungen der Strukturen liegen im Nanobereich, insbesondere im Bereich des sichtbaren Lichtes, also 400 bis 800 nm. Zusätzlich wird aber auch eine verringerte Reflektion der Oberfläche erzielt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- EP 0219734 A2 [0001]
- US 4574160 [0001]
- DE 4234068 A1 [0001]
- DE 4140682 A1 [0001]
- EP 94/02942 [0001]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- www.holtronic.ch [0074]

Claims

Verkapselte Solarzelle (30) mit folgender Schichtstruktur – eine untere Lage (24) aus thermoplastischem Silikon, – eine Solarzelle (30), – eine obere Lage (32) aus thermoplastischem Silikon, – eine Deckschicht (34) aus einem Fluorpolymer, wobei die Solarzelle (30) zwischen der unteren Lage (24) und der oberen Lage (32) allseitig dicht eingeschlossen ist und wobei die obere Lage (32) mit der Deckschicht (34) verbunden ist.
Verkapselte Solarzelle (30) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluorpolymer ausgewählt ist aus MFA, FEP, PFA, AF und ähnliche Fluorpolymere.
Verkapselte Solarzelle (30) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Lage (24) und die obere Lage (32) aus dem gleichen Material hergestellt sind.
Verkapselte Solarzelle (30) nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Fluorpolymer ein Co-Polymerisat ist, und dass in der Formel des Fluorpolymers dann, wenn es überhaupt Ethylen aufweist, das E nicht am Anfang der Formel, sondern in der Mitte, wie z. B. bei FEP, und/oder am Ende steht.
Verkapselte Solarzelle (30) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzpunkt des Fluorpolymers zwischen 275 und 345°C, insbesondere zwischen 300 und 320°C liegt.
Verkapselte Solarzelle (30) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzpunkt des thermoplastischen Silikons zwischen 150 und 190°C, vorzugsweise zwischen 160 und 180°C liegt.
Verkapselte Solarzelle (30) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie aus Fluorpolymer für die Deckschicht (34) oberflächenbehandelt ist an der Kontaktfläche mit der oberen Lage (32), insbesondere dass sie plasmabehandelt ist.
Verkapselte Solarzelle (30) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die untere Lage (24) in Kontakt mit einem Substrat (20) ist.
Verkapselte Solarzelle (30) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der beiden Lagen (24, 32) und/oder die Deckschicht (34) um eine Kante (26) des Substrats (20) herumgezogen sind und einen Bereich aufweist, der mit der anderen Hauptfläche des Substrats (20) verbunden bzw. benachbart ist.
Verkapselte Solarzelle (30) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie aus Fluorpolymer für die Deckschicht (34) eine Materialstärke von etwa 50 bis 300 μm, insbesondere 100 bis 150 μm hat, und/oder dass die untere Lage (24) und die obere Lage (32) jeweils eine Materialstärke haben, die zwischen 250 μm und 1 mm, insbesondere zwischen 400 μm und 600 μm, insbesondere bei 500 μm, liegt.
Verkapselte Solarzelle (30) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Deckschicht (34) aus Fluorpolymer, die der oberen Lage (32) zugeordnet ist, aufgeraut ist, so dass ein Laminieren unter Vakuum ohne Einfluss von Blasen möglich ist.
Verfahren zur Herstellung einer verkapselten Solarzelle (30) mit folgenden Schritten: a. Eine untere Lage (24) aus thermoplastischem Silikon wird auf eine Unterlage, insbesondere auf ein Substrat (20), aufgelegt, b. auf diese untere Lage (24) wird eine Solarzelle (30) aufgelegt, dabei steht die untere Lage (24) allseitig gegenüber der Solarzelle (30) vor, c. auf die erreichte Anordnung wird eine obere Lage (32) aus thermoplastischem Silikon gelegt, auch diese steht allseitig gegenüber der Solarzelle (30) vor, weiterhin wird jeglicher Einschluss von Luft zwischen der unteren Lage und der oberen Lage vermieden, d. auf die erreichte Anordnung wird eine Deckschicht (34) aus einem Fluorpolymer aufgelegt, wobei ebenfalls vermieden wird, dass zwischen der Deckschicht (34) und der oberen Lage Luft eingeschlossen ist, e. die Anordnung wird auf eine Temperatur erhitzt, bis das Silikonmaterial schmelzflüssig wird, insbesondere 160 bis 180°.
Verfahren zur Herstellung einer verkapselten Solarzelle (30), dadurch gekennzeichnet, dass das Fluorpolymer ausgewählt ist aus MFA, FEP, PFA, AF und ähnliche Fluorpolymere.
Verfahren zur Herstellung einer verkapselten Solarzelle (30), dadurch gekennzeichnet, dass die untere Lage (24) und die obere Lage (32) aus dem gleichen Material hergestellt sind.
Verfahren zur Herstellung einer verkapselten Solarzelle (30), dadurch gekennzeichnet, dass das Fluorpolymer ein Co-Polymerisat ist, und dass in der Formel des Fluorpolymers dann, wenn es überhaupt Ethylen aufweist, das E nicht am Anfang der Formel, sondern in der Mitte, wie z. B. bei FEP, und/oder am Ende steht.
Verfahren zur Herstellung einer verkapselten Solarzelle (30), dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzpunkt des Fluorpolymers zwischen 275 und 345° C, insbesondere zwischen 300 und 320°C liegt.
Verfahren zur Herstellung einer verkapselten Solarzelle (30), dadurch gekennzeichnet, dass der Schmelzpunkt des thermoplastischen Silikons zwischen 150 und 190°C, vorzugsweise zwischen 160 und 180°C liegt.
Verfahren zur Herstellung einer verkapselten Solarzelle (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Folie aus Fluorpolymer oberflächenbehandelt ist an der Kontaktfläche mit der oberen Lage (32), insbesondere dass sie plasmabehandelt ist.
Verfahren zur Herstellung einer verkapselten Solarzelle (30), dadurch gekennzeichnet, dass die untere Lage (24) in Kontakt mit einem Substrat (20) ist.
Verfahren zur Herstellung einer verkapselten Solarzelle (30), dass zumindest eine der beiden Lagen (24, 32) und/oder die Deckschicht (34) um eine Kante (26) des Substrats (20) herumgezogen ist und einen Bereich aufweist, der mit der anderen Hauptfläche des Substrats (20) benachbart ist.
Verfahren zur Herstellung einer verkapselten Solarzelle (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Folie aus Fluorpolymer eine Materialstärke von etwa 50 bis 300 μm, insbesondere 100 bis 150 μm hat, und dass die untere Lage (24) und die obere Lage (32) eine Materialstärke hat, die zwischen 250 μm und 1 mm, insbesondere zwischen 400 μm und 600 μm, insbesondere 500 μm, liegt.
Verfahren zur Herstellung einer verkapselten Solarzelle (30), dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der Deckschicht (34) aus Fluorpolymer, die der oberen Lage zugeordnet ist, aufgeraut ist, so dass ein Laminieren unter Vakuum ohne Einfluss von Blasen möglich ist.
Schmutzabweisende glasklare Scheibe, insbesondere Glasscheibe (40), die auf mindestens einer Hauptfläche mit folgender Schichtanordnung belegt ist: – eine untere Lage (24) aus thermoplastischem Silikon und – einer Deckschicht (34) aus einem Fluorpolymer, wobei die Deckschicht (34) aus Fluorpolymer eine im Nanobereich liegende Aufrauung aufweist, insbesondere eine Dendritenstruktur aufweist, wodurch ein Lotuseffekt erzielt wird.