CH710549B1 - Photovoltaikmodul und Fassadenelement. - Google Patents

Abstract

Bei einem erfindungsgemässen Photovoltaikmodul (1), welches eine photovoltaische Siliziumlage (5) umfasst, welche zwischen einer rückseitigen Elektrodenlage (6) und einer darunterliegenden Trägerlage (7) und einer frontseitigen Elektrodenlage (4) und einer darüberliegenden Schutzabdeckungslage (2) laminiert unlösbar gelagert wird, wobei mindestens eine Folie (3) zwischen der frontseitigen Elektrodenlage (4) und der Schutzabdeckungslage (2) als Teil des Photovoltaikmoduls (1) laminiert angeordnet ist, soll eine Tarnung und Unkenntlichmachung der typisch blau-schwarz reflektierenden Fläche geschaffen werden. Dies wird dadurch erreicht, dass die mindestens eine Folie (3) eine sichtbare Färbung aufweist, die mindestens eine Folie (3) Licht im Infrarotbereich zu mindestens 50% durchlässt und die mindestens eine Folie (3) eine Vielzahl von Perforationslöchern aufweist, welche die mindestens eine Folie (3) vollständig queren, sodass die Perforationslöcher zusammen mit stehen gebliebenen Folienabschnitten Muster (30) bilden, mittels welchen die typische blau-schwarze Erscheinung der photovoltaischen Siliziumlage (5) versteckbar ist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Fassadenelement umfassend ein Photovoltaikmodul.

Description

Beschreibung Technisches Gebiet [0001] Die vorliegende Erfindung beschreibt ein Photovoltaikmodul, welches mehrlagig aufgebaut ist und eine gekapselte Einheit bildet, wobei das Photovoltaikmodul eine photovoltaische Siliziumlage umfasst, welche zwischen einer rückseitigen Elektrodenlage mit darunterliegender Trägerlage und einer frontseitigen Elektrodenlage mit darüberliegender Schutzabdeckungslage laminiert unlösbar gelagert ist, wobei mindestens eine Folie zwischen der frontseitigen Elektrodenlage und der Schutzabdeckungslage als Teil des Photovoltaikmoduls laminiert angeordnet ist und ein Fassadenelement.

Stand der Technik [0002] Das Potenzial für die Bedeckung von Gebäudehüllen mit Photovoltaikmodulen ist gross. Während bislang hauptsächlich Dachflächen zur Stromproduktion genutzt werden, ist auch die Bedeckung von Fassadenflächen interessant. Viele Hausbesitzer sind zurückhaltend, da die weit verbreiteten siliziumbasierten Solarzellenmodule eine typische monotone blau-schwarze Färbung und spiegelnde Reflexion aufweisen. Vor allem die Gebäudeintegration von Photovoltaikmodulen (PVM) kann zur Erreichung der angestrebten und beschlossenen Energiewende beitragen.

[0003] Ein Photovoltaikmodul, oder Solarmodul, welches Teil einer Photovoltaikanlage ist, wandelt die Strahlung eines Teils des Tageslichts direkt in elektrischen Strom um. Die vor allem bekannten auf Silizium basierenden PVM bilden eine laminierte Struktur, welche auch an einer Fassadenfläche dauerhaft anbringbar ist. Silizium ist als zweithäufigstes Element der Erdkruste in hohen Mengen vorhanden und das Wissen der Herstellung einzelner Solarzellen und daraus gebildeter Photovoltaikmodule ist seit vielen Jahren vorhanden. Neben monokristallinen und multikristallinen Siliziumsolarzellen sind auch amorphe Siliziumsolarzellen bekannt und weisen eine akzeptable Stromausbeute bzw. Wirkungsgrad auf. Auch die Herstellung derartiger mehrschichtiger PVM ist optimiert, sodass witterungs- und korrosionsbeständige und damit Jahrzehnte haltbare PVM kommerziell erhältlich sind. Bei der Herstellung von Photovoltaikmodulen werden die einzelnen Lagen geschichtet angeordnet und laminiert, damit eine Kapselung der Lagen und damit ein optimaler Korrosionsschutz des Solarmoduls erreicht wird.

[0004] Derartige auf Silizium basierende Photovoltaikmodule haben ein bisher für Photovoltaikmodule typisches meist spiegelndes blau-schwarzes Erscheinungsbild. Die dunkelblau metallisch glänzenden Siliziumschichten sind deutlich erkennbar und führen zum typischen immer gleich monotonen Aussehen. Um Photovoltaikmodule etwas unauffälliger zu gestalten und das typisch blaumetallisch spiegelnde Erscheinungsbild zu verhindern, kann die Oberfläche des Schutzglases von Modulen mattiert sein, beispielweise mittels Sandstrahlung. Es könnten auch teiltransparente oder transluzente Glasschichten zur Abdeckung der Solarzellen verwendet werden, welche leicht eingefärbt sind und entsprechend weniger Strahlung durchlassen. Mit solchen eingefärbten Glasschichten kann das übliche Erscheinungsbild von Siliziumsolarzellen kaum beseitigt werden.

[0005] Dem Fachmann ist bekannt, dass zur Variation des optischen Erscheinungsbildes die Schutzabdeckungslage, meist in Form einer schützenden Glasoberfläche, nicht einfach lackiert oder beklebt werden kann, was beispielsweise beim Unsichtbarmachen von Satellitenschüsseln möglich ist. Der Wirkungsgrad der Solarzellen würde zu stark reduziert, da eine Beschichtung den Zugang der Strahlung zur photoaktiven Schicht verschlechtert. Mit einer Verzierung der Oberfläche der PVM können kommerziell erhältliche Photovoltaikmodule also nicht unauffällig gemacht werden.

[0006] Im Oktober 2014 hat die Firma CSEM Prof. Dr. Christophe Ballif einen Streufilter für Photovoltaikmodule vorgestellt, welcher es erlauben soll, Photovoltaikmodule mit weisser oder farbiger Erscheinung herzustellen. Durch Verwendung dieses Streufilters sind Photovoltaikmodule erreichbar, welche einen Teil der sichtbaren Strahlung reflektieren und die Infrarotstrahlung durchlassen. Das menschliche Auge nimmt derartige PVM als einfarbige weisse, gelbe oder generell einfarbige Flächen wahr, wobei weder die typische Farbe noch Maserung von siliziumbasierten Solarzellen erkennbar ist.

[0007] Das Ziel ist hier die monotone bekannte Erscheinung von PVM zu verstecken. Dies könnte eventuell Bauherren davon überzeugen, dass grüne Energiegewinnung auch unauffällig sein kann, was zu mehr Akzeptanz führen könnte. Auch neben der Bauindustrie, beispielsweise in Bereichen der Elektronik und in der Automobilindustrie, ist es von Interesse, wenn Produkte mit versteckten Solarmodulen ausgestattet werden können. In diesen technischen Gebieten möchte man Photovoltaikmodule ebenfalls verstecken und unauffälliger platzieren als bisher, sodass diese nicht offensichtlich und von weitem als solche erkennbar sind.

[0008] Das Aussehen kann den Wünschen der Benutzer bislang aber nur bedingt angepasst werden. Die der Sonne zugewandte Oberfläche der Photovoltaikmodule stellt nur eine ebene monochrome Fläche dar, welche beispielsweise bei Anbringung an Fassaden immer noch als Fremdkörper wahrgenommen wird. Es ist auch noch nicht möglich, Photovoltaikmodule mit einer Naturstein, Holz oder Putzoptik zu erstellen, sodass verwendete siliziumbasierte Solarzellen umfassende Photovoltaikmodule immer noch leicht erkennbar sind.

Darstellung der Erfindung [0009] Die vorliegende Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, auf Silizium basierende Photovoltaikmodule zu schaffen, welche keine typische blau-schwarz reflektierende Fläche aufweisen und damit getarnt sind, sodass sie nicht von weitem als PVM erkennbar sind.

[0010] Diese Aufgabe wird durch die Anordnung einer Folie als Teil des Photovoltaikmoduls gelöst, wobei die Folie Infrarotlicht-durchlässig ist und eine auf der Fläche der Folie verteilte Perforation aufweist, mittels welcher Oberflächen von Natursteinen, Holz oder Putz nachbildbar sind. Die verwendete Folie reflektiert sichtbares Licht weitgehend und lässt Infrarotlicht nahezu ungestört durch, wobei eine Infrarottransmission von grösser gleich 50% besteht.

[0011] Die Folie kann zwischen die Lagen des PVMs und damit in das PVM integriert angeordnet sein oder auf einer Schutzabdeckungslage ausserhalb des PVMs angeordnet werden.

[0012] In einerweiteren Ausführungsform werden mehrere Folien mit Perforation übereinanderliegend innerhalb des Photovoltaikmoduls integriert angeordnet, wodurch eine noch verbesserte Imitation mit farblicher Gestaltung möglich ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen [0013] Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes wird nachstehend im Zusammenhang mit den anliegenden Zeichnungen beschrieben.

Fig. 1 a zeigt eine schematische Perspektivansicht eines Ausschnittes eines teilweise zusammengebauten Photovoltaikmoduls mit einer Folie zwischen Schutzabdeckung und frontseitiger Elektrodenlage, während

Fig. 1b eine Vergrösserung der Folienoberfläche gemäss Kreis aus Fig. 1a zeigt.

Fig. 2 zeigt eine schematische Perspektivansicht einer weiteren Ausführungsform eines Photovoltaikmoduls, wobei zwei Folienlagen integriert werden.

Beschreibung [0014] Ein Photovoltaikmodul 1 weist eine Laminatstruktur miteinander unlösbar verbundener Lagen unterschiedlicher Funktion auf. Die hier aufgezeigten Lagen bilden keine abschliessende Aufzählung der in Photovoltaikmodulen 1 verwendbaren Lagen. Eine Trägerlage 7 dient als mechanische Stütze für sukzessive aufgebrachte Lagen. Auf der Trägerlage 7 ist eine rückseitige Elektrodenlage 6, bevorzugt in Form einer metallischen elektrisch leitfähigen Lage, flächig aufgebracht. An die rückseitige Elektrodenlage 6 schliesst sich eine photovoltaische mehrlagige Siliziumlage 5 an. Diese Siliziumlage 5 umfasst eine p-Schicht, eine pn-Grenzschicht und eine n-Schicht, wobei die n-Schicht der rückseitigen Elektrodenlage 6 abgewandt angeordnet ist. Die pn-Grenzschicht oder auch pn-Übergang stellt einen Übergang zwischen den verschieden dotierten Siliziumschichten dar. Wie für Solarzellen bekannt, werden durch Strahlungseinwirkung erzeugte freie Ladungsträger durch ein elektrisches Feld, welches von der pn-Grenzschicht erzeugt wird, in unterschiedliche Richtungen gelenkt, wodurch ein Stromfluss bei genügender Strahlungseinstrahlung resultiert. Auf der photovoltaischen Siliziumlage 5 ist eine frontseitige Elektrodenlage 4 der einstrahlenden Strahlung zugewandt angeordnet. Mittels der frontseitigen Elektrodenlage 4 und der rückseitigen Elektrodenlage 6, welche mit der photovoltaischen Siliziumlage 5 eine Sandwich-Anordnung bilden, werden erzeugte elektrische Ladungsträger abgeführt, was als Stromfluss erkennbar ist. Aus Stabilitätsgründen und zur Erreichung eines abgeschlossenen und gegen Korrosion geschützten Photovoltaikmoduls 1, ist eine Schutzabdeckungslage 2 angeordnet. Diese Schutzabdeckungslage 2 ist transparent ausgeführt und sollte elektromagnetische Strahlung möglichst ungestört durchlassen, sodass diese bis zur photovoltaischen Siliziumlage 5 gelangt.

[0015] Um Photovoltaikmodule 1 zu verstecken und die Erscheinung der typischen blau-schwarz reflektierenden Siliziumfläche zu vermeiden bzw. die Erscheinung der Photovoltaikmodule 1 zu tarnen, indem andere Materialien imitiert werden, ist hier mindestens eine Folie 3 in das PVM integriert. Die mindestens eine Folie 3 reflektiert Licht im sichtbaren Spektralbereich besonders gut und annähernd zu 100%. Dabei weist die Folie 3 meist eine bevorzugte Färbung auf, welche eine Grundfarbe der Folie 3 liefert. Da bei Verwendung der photovoltaischen Siliziumlagen 5 vor allem der Infrarotanteil auftreffender Strahlung zur Stromerzeugung genutzt wird, muss die Folie 3 Infrarotlicht-durchlässig sein und eine Infrarottransmission von grösser gleich 50% aufweisen. Bevorzugt ist eine Infrarottransmission der Folie 3 von grösser 80%. Dies ist durch Wahl geeigneten Folienmaterials erreichbar. Als Infrarotbereich wird hier der Wellenlängenbereich zwischen 300 nm und 2500 nm verstanden.

[0016] Die Folie 3 kann auf der frontseitigen Elektrodenlage 4 zwischen frontseitiger Elektrodenlage 4 und Schutzabdeckungslage 2 angeordnet sein. Dies ist in Fig. 1 a schematisch gezeigt. Die flexible Folie 3 wird zwischen die Lagen 4,2 eingelegt und bedeckt möglichst die gesamte Oberfläche der frontseitigen Elektrodenlage 4, damit das Erscheinungsbild der photovoltaischen Siliziumlage 5 vollflächig abgedeckt ist. Nach Einlage der Folie 3 wird die Schutzabdeckungslage 2 auf das Photovoltaikmodul 1 abschliessend aufgelegt und die gesamte Vorrichtung zu einer Laminatstruktur verbunden. Die Verbindung der Laminatlagen kann mit unterschiedlichen Klebern erfolgen, beispielsweise auch in einer Vakuumapparatur.

[0017] Die mindestens eine Folie 3 ist mit einer Perforation, umfassend eine Vielzahl von Perforationslöchern 300, ausgestattet. Die Perforationslöcher 300 queren die Folien 3 vollständig, sodass ein Muster 30 aus Perforationslöchern 300 und stehen gebliebenen Folienabschnitten 301 resultiert. Die Gestaltung der Muster 30 aus Perforationslöchern 300 und Folienabschnitten 301 kann in verschiedensten Ausführungen ausgeführt sein.

[0018] Da die Folie 3 eingefärbt ist und Strahlung im sichtbaren Spektralbereich nahezu vollständig reflektiert bzw. gestreut wird, erscheinen die stehen gebliebenen Folienabschnitte 301 hauptsächlich in ihrer Farbe. An den Stellen der Perforationslöcher 300 scheint die typische blau-schwarze Färbung einer Siliziumsolarzelle durch, da die photovoltaische Siliziumlage 5 hindurchscheint. Dies ist hier mit schwarzen Kreisen angedeutet. So können gemaserte oder allgemein strukturierte Oberflächen imitiert werden. Wird beispielsweise eine gelb scheinende Folie 3 verwendet, in welcher streifenförmige Muster aus Perforationslöchern 300 und Folienabschnitten 301 angeordnet sind, kann die Oberfläche des Pho-tovoltaikmoduls 1 einer natürlichen Sandsteinoberfläche angeglichen sein. Je nach gewählter Farbe der Folie 3 und des gewählten Musters 30 sind verschiedenste Imitationen natürlicher Oberflächen erreichbar.

[0019] Damit Strukturen erkennbar imitiert werden können, sollte der Durchmesser der Perforationslöcher 300 grösser 200 Mikrometer sein. In der Praxis sind Durchmesser zwischen 500 Mikrometer und einigen Millimetern vorteilhaft. Die Fläche der Perforationslöcher 300 sollte maximal der Fläche der stehen gebliebenen Folienabschnitte 301 entsprechen.

[0020] Die Dichte der Perforationslöcher 300 pro Folienfläche ist nicht konstant. Wie dargestellt sind die Perforationslöcher 300 und natürlich die stehen gebliebenen Folienabschnitte 301 auf der Folie inhomogen verteilt, wodurch die Natur nachbildbar ist.

[0021] Als verwendbare Kunststofffolie mit ausreichend hoher Infrarotdurchlässigkeit kann hier eine Folie aus Polyethylen hoher Dichte (HDPE) verwendet werden. Dem HDPE als Grundmaterial sind Pigmente und Stabilisatoren beigemischt, wodurch die Herstellung unterschiedlich gefärbter Folien erreichbar ist, welche alterungs- und witterungsbeständig und damit haltbar gemacht werden können. Entscheidend ist, dass die resultierende Folie Infrarot-durchlässig ist und den sichtbaren Strahlungsanteil im hohen Masse reflektiert oder streut.

[0022] Ebenfalls verwendbar zur Herstellung der Folien sind die Streufilter in Folienform, wie sie von CSEM entwickelt worden sind. Auch hier ist eine nahezu totale Reflexion der Einstrahlung im sichtbaren Spektralbereich des Lichtes und eine möglichst hohe Transparenz der Infrarotstrahlung erreichbar.

[0023] Wie Versuche zeigen, werden gute Ergebnisse bei Foliendicken zwischen 25 und 500 Mikrometer erreicht, bevorzugt lagen die verwendeten Foliendicken unterhalb von 200 Mikrometern, da dann die Restabsorption von Infrarotlicht möglichst gering ist. Die Folie 3 darf nicht zu dünn sein, damit ausreichend viel sichtbares Licht reflektiert werden kann und eine Verarbeitung durch Integration der Folie 3 in ein lagenweise aufgebautes PVM 1 möglich ist. Auf der anderen Seite darf die Foliendicke nicht zu hoch sein, damit möglichst viel Infrarotstrahlung durch die Folie bis zur photovoltaischen Siliziumlage 5 gelangen kann. Vor allem, wenn mehr als eine Folienlage verwendet wird, sollte jede der Folien 3 möglichst dünn sein, wobei eine maximale Foliendicke von 200 Mikrometern pro Lage bei Verwendung von drei Folienlagen sinnvoll ist.

[0024] Sollen aufwändigere Oberflächenimitationen erreicht werden, was durch mehrere Farben erreicht werden kann, kann mehr als eine Folie 3 verwendet werden. Dies ist in Fig. 2 angedeutet. Wird mehr als eine Folie 3 in das PVM integriert, wobei die Folien 3, 3' unterschiedliche Farben aufweisen und jeweils mit Mustern 30, 30' aus Perforationslöchern 300 und Folienabschnitten 301 versehen sind, dann können verschiedenste Strukturen nachgebildet und damit von weitem nicht feststellbar imitiert werden.

[0025] Um diese geschaffenen Photovoltaikmodule 1 noch einfach an Fassadenflächen anbringen zu können, kann die Trägerlage 7 in Form einer Wärmedämmplatte 7 ausgestaltet sein. Diese Wärmedämmplatte kann aus mineralischen Baustoffen, aus Blähglas, Gasbeton oder beispielsweise aus Polystyrol-Hartschaum hergestellt sein. Die Dicke der Wärmedämmplatte muss derart gewählt werden, dass ein laminiertes Photovoltaikmodul 1 ausreichender Stabilität erstellt werden kann. Durch die Verwendung einer Wärmedämmplatte als Trägerlage 7 kann das Photovoltaikmodul 1 direkt an eine Fassadenfläche flächig geklebt werden.

Bezugszeichenliste Photovoltaikanlage [0026] 1 Photovoltaikmodul/Solarmodul 2 Schutzabdeckungslage (strahlungszugewandt) 3 Folie (mindestens eine, perforiert) 30 Muster 300 Perforationslöcher 301 Folienabschnitte

Claims (9)

1. 4 frontseitige Elektrodenlage 5 photovoltaische Siliziumlage 6 rückseitige Elektrodenlage 7 Trägerlage Patentansprüche

   1. Photovoltaikmodul (1), welches mehrlagig aufgebaut ist und eine gekapselte Einheit bildet, wobei das Photovoltaik-modul (1) eine photovoltaische Siliziumlage (5) umfasst, welche zwischen einer rückseitigen Elektrodenlage (6) mit darunterliegender Trägerlage (7) und einer frontseitigen Elektrodenlage (4) mit darüberliegender Schutzabdeckungslage (2) laminiert unlösbar gelagert ist, wobei mindestens eine Folie (3) zwischen der frontseitigen Elektrodenlage (4) und der Schutzabdeckungslage (2) als Teil des Photovoltaikmoduls (1) laminiert angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Folie (3) eine sichtbare Färbung aufweist, indem die Folie (3) Licht im sichtbaren Spektralbereich mindestens annähernd vollständig reflektiert oder streut, die mindestens eine Folie (3) Licht im Infrarotbereich zu mindestens 50% durchlässt und die mindestens eine Folie (3) eine Vielzahl von Perforationslöchern (300) aufweist, welche die mindestens eine Folie (3) vollständig queren, sodass die Perforationslöcher (300) zusammen mit stehen gebliebenen Folienabschnitten (301) Muster (30) bilden, mittels welchen die typische blau-schwarze Erscheinung der photovoltaischen Siliziumlage (5) versteckbar ist.
2. 2. Photovoltaikmodul (1) nach Anspruch 1, wobei die mindestens eine Folie (3) einen Transmissionskoeffizienten im Infrarotbereich zwischen 300 nm und 2500 nm von mindestens 80% aufweist.
3. 3. Photovoltaikmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Durchmesser der Perforationslöcher (300) grösser als 200 Mikrometer, grösser als 500 Mikrometer ist.
4. 4. Photovoltaikmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Folie (3) aus Polyethylen hoher Dichte hergestellt ist, wobei diesem Grundmaterial noch Pigmente und Stabilisatoren beigemischt sind.
5. 5. Photovoltaikmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die mindestens eine Folie (3) eine Foliendicke zwischen 25 und 500 Mikrometer, bevorzugt kleiner als 200 Mikrometer aufweist.
6. 6. Photovoltaikmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei mehr als eine Folie (3, 3') in das Photovoltaikmodul (1) integriert ist, wobei jede Folie (3, 3') eine andere reflektierende oder streuende Grundfarbe aufweist.
7. 7. Photovoltaikmodul (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Trägerlage (7) in Form einer Wärmedämmplatte aus mineralischen Baustoffen, beispielsweise aus Blähglas oder Gasbeton, oder aus Polystyrol-Hartschaum ausgebildet ist.
8. 8. Fassadenelement, umfassend ein Photovoltaikmodul gemäss einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Trägerlage (7) in Form einer Wärmedämmplatte ausgebildet ist.
9. 9. Fassadenelement nach Anspruch 8, wobei die Wärmedämmplatte (7) aus mineralischen Baustoffen, beispielsweise aus Blähglas oder Gasbeton, oder aus Polystyrol-Hartschaum ausgebildet ist.