DE102004021568B4

DE102004021568B4 - Verfahren zur Herstellung flexibler Dünnschicht-Solarzellenanordnungen

Info

Publication number: DE102004021568B4
Application number: DE102004021568A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Dipl.-Ing. Brunner
Original assignee: HTS - HOCH TECHNOLOGIE SYSTEME GmbH; HTS HOCH TECHNOLOGIE SYSTEME G
Current assignee: HTS - HOCH TECHNOLOGIE SYSTEME GmbH; HTS HOCH TECHNOLOGIE SYSTEME G
Priority date: 2004-05-03
Filing date: 2004-05-03
Publication date: 2009-04-30
Anticipated expiration: 2024-05-04
Also published as: DE102004021568A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung flexibler Dünnschicht-Solarzellenanordnungen, wobei die Solarzellenanordnung im Wesentlichen aus einem flexiblen Trägermaterial, auf dem Leiterbahnen aufgebracht sind, und einer flexiblen Solarzellenschicht aus einem photovoltaischem Material bestehen, die beide durch Verkleben miteinander verbunden sind, wobei das Verkleben des Trägermaterials (1) mit der Solarzellenschicht (3) teilflächig nach einem vorgegebenen Schema geschieht, wobei Klebeflächen (4) versetzt auf das Trägermaterial (1) oder die Solarzellenschicht (3) aufgebracht werden, derart, dass zwischen den Klebeflächen (4) dauerhaft gangartige Zwischenräume (5) gebildet sind, die bis zu einem Rand (6) der Solarzellenschicht (3) führen.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung flexibler Dünnschicht-Solarzellenanordnungen, wobei die Solarzellenanordnung im Wesentlichen aus einem flexiblen Trägermaterial, auf dem Leiterbahnen aufgebracht sind, und einer flexiblen Solarzellenschicht aus einem photovoltaischem Material bestehen, die beide durch Verkleben miteinander verbunden sind.
Solarzellenanordnungen und Solarzellenmodule zur Energiegewinnung sind in unterschiedlichen Ausführungen bereits bekannt. Ihre Einsatzmöglichkeiten werden u. a. dadurch eingeschränkt, dass die Solarzellen aus einem starren Verbund bestehen und nur auf einer ebenen Fläche angeordnet werden können. Sie weisen üblicherweise ein Trägersubstrat auf, das aus einem Glasmaterial hergestellt und auf dem das photovoltaische Material aufgedampft ist. Die Kontaktierung mit der Leiterplatte zur Stromabführung erfolgt beispielsweise mittels Löten oder Drahtbonden oder ähnlichen bekannten Verfahren.
Bekannt ist auch die Herstellung von Solarzellen in Dünnschicht-Technologie. Die Solarzellenschicht wird auf einen flexiblen, dünnen Träger aus einem Folienmaterial aufgebracht und mit einer abdeckenden Schutzschicht versehen, die die Solarzellenanordnung vor schädigenden Witterungseinflüssen schützt. Damit kann der Einsatzbereich wesentlich erweitert werden, da sich die Solarzellenanordnung durch ihre Flexibilität an beliebige Formen anpassen oder sie selbst beliebig geformt sein kann. Auch aufgrund ihres geringen Gewichtes und des variablen Transport- und Aufbewahrungsvolumens ist der Einsatz insbesondere in der Luft- und Raumfahrt, aber beispielsweise auch in der Fahrzeugindustrie von großer Bedeutung.
Bezüglich des Einsatzes in der Raumfahrttechnik müssen Solarzellenanordnungen jedoch besondere Bedingungen erfüllen, insbesondere was die Anforderungen an Qualität, Gewicht, Stabilität und Lebensdauer betrifft.
So besteht in der Raumfahrtanwendung die Forderung, dass die flexible Solarzellenschicht möglichst ohne Lufteinschlüsse oder nur mit Luftblasen sehr geringer Größe auf das Trägermaterial aufgebracht wird. Dabei geschieht das Aufbringen der Solarzellenschicht auf das Trägermaterial in der Regel durch vollflächiges Aufkleben mittels eines Klebstoffes, dessen Eigenschaften den üblichen Bedingungen der Raumfahrttechnik gerecht werden, das heißt, er muss über große Bereiche hinweg temperaturbeständig und flexibel sein. Es dürfen sich bei Einsatz der Solarzellenanordnung auch keine Klebstoffpartikel aus dem Verbund lösen. Bei der Verklebung von Solarzellen in Dünnschicht-Technologie mit einem dünnen, flexiblen Trägermaterial hat die Schichtdicke und Anordnung der Verklebung einen wesentlichen Einfluss auf das Gewicht des Verbundes vgl. Hallmann/Ley, Handbuch der Raumfahrttechnik, 1988, S. 178, 401.
Nachteilig ist, dass im Klebstoff vorhandene oder durch den Klebvorgang erzeugte Lufteinschlüsse nicht aus dem Verbund zwischen Trägermaterial und Solarzellenschicht entfernt werden können. Unter Weltraumbedingungen dehnen sich die Lufteinschlüsse aufgrund der fehlenden Atmosphäre aus, was je nach Größe der Luftbläschen zur Beschädigung durch zumindest teilweise Ablösung der Solarzellenschicht vom Trägermaterial oder zur Zerstörung der gesamten Solarzellenanordnung führen kann.
Durch vorheriges Entgasen des Klebstoffes unter Vakuum kann dieser gravierende Nachteil zwar minimiert, jedoch nicht vollständig beseitigt werden.
Aus der Druckschrift JP 2002-211-498 A ist ein Verfahren zur Verklebung von Solarzellenplatten durch das Aufkleben von Solarzellen auf Wabenplatten sowie eine, entsprechend des Verfahrens hergestellte Solarzellenplatte bekannt. Bei diesem Verfahren wird zunächst Klebstoff punktuell und nach einem vorgegebenen Auftragsmuster auf die Oberfläche der Solarzelle aufgebracht, dann die Solarzelle umgedreht mit der Klebefläche auf einer Wabenplatte platziert und anschließend unter Druckbeaufschlagung auf die rückwärtige Oberfläche der Solarzelle mit der Wabenplatte verklebt. Dabei wird der Klebstoff langsam zusammengedrückt, so dass er sich allmählich zwischen der Solarzelle und der Wabenplatte ausbreitet und sich die separaten Klebepunkte zu einer nahezu vollflächigen Klebefläche verbinden (vgl. 1 und 6 der Druckschrift). Dieses Verfahren soll eine bestimmte Dicke des Klebstoffes gewährleisten, das Verschmutzen der Solarzellen durch den Klebstoff unterbinden und den Einschluss von Luftbläschen während des Klebevorganges verhindern. Allerdings ist diese Methode für den Raumfahrteinsatz nicht geeignet, da einerseits das hierbei erforderliche, wabenartige, druckbelastbare Trägermaterial nicht für flexible Dünnschicht-Solarzellenanordnungen anwendbar ist und andererseits mit der Methode die im Klebstoff vorhandenen oder erzeugten Lufteinschlüsse nicht nachhaltig beseitigt werden können. Die internen Luftbläschen verbleiben weitestgehend im Verbund mit dem Klebstoff und können allenfalls im geringfügigen Maße in den Randbereichen der Klebestofffläche der Solarzellplatte schadlos entweichen.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, mit dem auf einfache und kostengünstige Art und Weise flexible Solarzellenanordnungen geschaffen werden können, die insbesondere bei Einsatz in der Raumfahrttechnik den Anforderungen an Qualität, Gewicht, Stabilität und Lebensdauer gerecht werden.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass das Verkleben des Trägermaterials mit der Solarzellenschicht teilflächig nach einem vorgegebenen Schema geschieht, wobei Klebeflächen versetzt auf das Trägermaterial oder die Solarzellenschicht aufgebracht werden, derart, dass zwischen den Klebeflächen dauerhaft gangartige Zwischenräume gebildet sind, die bis zu einem Rand der Solarzellenschicht führen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren sind separate Klebeflächen derartig beanstandet und versetzt angeordnet und ausgebildet, dass gangartige Zwischenräume zwischen den Klebeflächen entstehen, die auch nach Abschluss des Verklebeprozesses von Trägermaterial und Solarzellenschicht als offene, gangartige Zwischenräume vorhanden sind, welche bis wenigstens einen Rand der Solarzellenschicht führen.
Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird es möglich, zwei flexible Materialschichten derart miteinander zu verbinden, dass bei Ausdehnung vom im Material oder Klebstoff vorhan dener Luftblasen ein Entweichen der Blasen ungehindert möglich ist und so das Beschädigen oder Zerstören der Solarzellenanordnung verhindert wird. Das Entweichen der Luftblasen wird durch die versetzte Anordnung der Klebestellen ermöglicht, durch die gangartige Zwischenräume gebildet werden, die zu einem der Ränder der Solarzellenanordnung reichen und nach außen offen sind. Das heißt, die Randbereiche der Solarzellenschicht sind zumindest im Bereich der gangartigen Zwischenräume nicht mit dem Trägermaterial verklebt.
Nach einer vorzugsweisen und vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sind die Klebeflächen Klebepunkte und nach dem vorgegebenen Schema über die Trägermaterialfläche so verteilt, dass die Zwischenräume zwischen den einzelnen Klebepunkten Gänge bilden, die nach außen führen.
Die Ausbildung der Klebeflächen als Klebepunkte ist aus technologischer Sicht einfach und bezüglich der Dosierung des Klebstoffes gut ausführbar. Der einzusetzende Klebstoff sollte den üblichen Forderungen und Bedingungen der Raumfahrttechnik gerecht werden und im abgebundenen Zustand dennoch genügende Elastizität aufweisen und unter Vakuumbedingungen dauerhaft haltbar sein.
Erfindungsgemäß ist auch vorgesehen, dass die Klebeflächen eine quadratische oder rechteckige Form aufweisen, die so auf das Trägermaterial aufgebracht werden, dass die Zwischenräume zwischen den eckigen Klebeflächen Gänge bilden, die bis zum Solarzellenrand reichen.
Die Form der Klebeflächen sollte in Abhängigkeit von der technologischen Umsetzung des Verfahrens gewählt werden. Wichtig ist, dass die Anordnung der Klebeflächen stets so ausgeführt wird, dass gangartige, nicht miteinander verbundene Zwischenräume zwischen dem Trägermaterial und der Solarzellenschicht entstehen, über die Luftblasen entweichen können.
Technologisch von Vorteil ist des Weiteren, wenn zum Aufbringen des Klebeschemas eine Klebeschablone vorgesehen ist, die vor dem Auftragen des Klebstoffes auf das Trägermaterial aufgelegt wird.
Das Klebeverfahren kann von Hand oder auch automatisiert erfolgen, wobei eine genaue Dosierung der Klebstoffmenge pro Klebepunkt eingestellt werden kann.
Erfindungsgemäß vorgesehen ist auch, dass der Klebstoff mittels Rollvorrichtung auf das mit der Klebeschablone versehene Trägermaterial aufgebracht wird.
Die Löcher für die Klebepunkte oder die weiteren Formen der Klebeflächen sind durch einfache Stanzvorgänge herstellbar, wobei die Schablone ebenfalls aus einem flexiblen Material hergestellt werden sollte, damit sie möglichst ganzflächig auf dem Trägermaterial aufliegt.
Bei zu hoher Dosierung des Klebstoffes kann der Rest mit der Schablone vom Trägermaterial entfernt werden, so dass Verschmutzungen der Solarzellenanordnung durch Klebstoff unterbunden werden können.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren ist im Weiteren vorgesehen, dass nach dem Auftragen des Klebstoffes und dem Entfernen der Klebeschablone die Solarzellenschicht positionsgenau aufgelegt und mit Druck beaufschlagt wird.
Damit wird ein stabiler, dauerhaft haltbarer Verbund beider Materialien erreicht.
Wenn als Trägermaterial ein lichtdurchlässiges Kunststoffmaterial eingesetzt wird und/oder der Klebstoff eine dunkle Färbung aufweist, werden Lufteinschlüsse nach Abschluss des Klebevorganges gut sichtbar und können eventuell noch vor dem vollständigen Abbinden des Klebstoffes aus dem Solarzellenverbund entfernt werden.
Zur Verringerung der Luftblasenbildung im Vakuum ist es vorteilhaft, wenn der Klebstoff vor dem Aufbringen auf das Trägermaterial unter Vakuum entgast wird.
Um großflächige, flexible Solarzellenanordnungen zu erreichen, wie sie im der Raumfahrt beispielsweise als Sonnensegel eingesetzt werden ist erfindungsgemäß vorgesehen, auf das Trägermaterial gleichzeitig mehrere Solarzellenschichten, nebeneinander angeordnet und miteinander verschaltet, aufzukleben.
Die flexible Solarzellenanordnung lässt sich auf einfache Art und Weise zusammenrollen, ist gewichtsmäßig wesentlich leichter als Solarzellenanordnungen in bisher üblicher starrer Ausführung und kann damit platz- und gewichtsgarend insbesondere für Raumfahrtanwendungen eingesetzt werden.
Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die zugehörige Zeichnung zeigt dabei in ihrer Figur eine perspektivische Ansicht einer Solarzellenanordnung im Endzustand.
Die erfindungsgemäße Solarzellenanordnung besteht im Wesentlichen aus dem Trägermaterial 1, das aus einer kupferbeschichteten Kunststofffolie besteht, die lichtdurchlässig ist. Auf dem Trägermaterial sind die Leiter- und Anschlussbahnen 2 aus dem Kupfermaterial herausgeätzt. Auf das Trägermaterial 1 sind die Solarzellenschichten 3, nebeneinander angeordnet, aufgeklebt. Dazu sind die beiden Schichten 1 und 3 mittels Klebeflächen 4, in Form von Klebepunkten nach einem vorgegebenen Schema teilweise miteinander verklebt.
Die Klebeflächen 4 können eine beliebige andere Form aufweisen, jedoch muss durch ihre Anordnung zwischen ihnen jeweils ein gangartiger Zwischenraum 5 gebildet werden, der bis zu einem der Ränder 6 der Solarzellenanordnung führt. Die Ränder 6 der Solarzellenschicht 3 darf in diesem Bereich nicht auf das Trägermaterial 1 aufgeklebt sein.
Zur mechanischen Entlastung der Solarzellenschichten 3 im Bereich der elektrischen Verbindungen 2 sollten in deren Nähe Klebeflächen 4 vorgesehen werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung derartiger Solarzellenanordnungen wird wie folgt ausgeführt:
Zunächst wird der Spezial-Klebstoff, der zum besseren Sichtbarmachen eventueller Lufteinschlüsse eine dunkle Farbe aufweist, die auch die genaue Position zwischen beiden Materialien kennzeichnet, unter Vakuum entgast. Auf das Trägermaterial 1, das mit entsprechenden Positionskennzeichen für die genaue Positionierung der Klebeschablone (in der Zeichnung nicht gezeigt) und Befestigungselementen zur Befestigung auf einer ebenen Unterlage versehen ist, wird die mit Lochungen vorgegebener Größe und bestimmter, zueinander versetzter Anordnung der Lochungen zueinander, versehene Klebeschablone aufgelegt und entsprechend fixiert. Danach wird der Klebstoff in die Lochungen eingebracht und mittels einer einfachen Rolle oder – bei einem automatisierten Verfahrensablauf – eine Vorrichtung zum Auftragen des Klebstoffes gleichmäßig verteilt. Nach dem Entfernen der Klebeschablone, die den überflüssigen Klebstoff mit entfernt, wird die Solarzellenschicht 3 positionsgenau aufgelegt und ebenfalls mittels einer Rolle oder Andrückvorrichtung auf das Trägermaterial 1 aufgedrückt, um einen möglichst gleichmäßigen Klebeverbund zu erhalten. Dabei darf die Druckkraft nicht so groß sein, dass die Solarzellenschichten 3 beschädigt werden.
Wichtig ist, dass zwischen den Klebepunkten 4 genügend Abstand ist, so dass diese durch das vorgegebene Schema zum Auftragen der Klebepunkte 4, gangartige Zwischenräume 5 bilden, die wenigstens zu einem der Ränder 6 der Solarzellenschicht 3 offen sind, so dass eventuelle Luftbläschen, die noch im Klebstoff vorhanden sind oder sich durch das Klebeverfahren gebildet haben, aus dem Verbund entfernt werden können. Weitere Lufteinschlüsse, die erst unter Vakuum infolge ihrer Ausdehnung entstehen, können ebenfalls durch die offenen gangartigen Zwischenräume 5 zwischen den Klebepunkten 4 nach außen entweichen, so dass Beschädigungen bzw. die Zerstörungen der Solarzellenanordnung weitestgehend vermieden werden können.

1: Trägermaterial
2: Leiter- und Verbindungsbahn
3: Solarzellenschicht
4: Klebefläche, Klebepunkt
5: gangartiger Zwischenraum
6: Rand der Solarzellenanordnung

Claims

Verfahren zur Herstellung flexibler Dünnschicht-Solarzellenanordnungen, wobei die Solarzellenanordnung im Wesentlichen aus einem flexiblen Trägermaterial, auf dem Leiterbahnen aufgebracht sind, und einer flexiblen Solarzellenschicht aus einem photovoltaischem Material bestehen, die beide durch Verkleben miteinander verbunden sind, wobei das Verkleben des Trägermaterials (1) mit der Solarzellenschicht (3) teilflächig nach einem vorgegebenen Schema geschieht, wobei Klebeflächen (4) versetzt auf das Trägermaterial (1) oder die Solarzellenschicht (3) aufgebracht werden, derart, dass zwischen den Klebeflächen (4) dauerhaft gangartige Zwischenräume (5) gebildet sind, die bis zu einem Rand (6) der Solarzellenschicht (3) führen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebeflächen (4) Klebepunkte sind und nach dem vor gegebenen Schema über die Trägermaterialfläche so verteilt sind, dass die Zwischenräume (5) zwischen den einzelnen Klebepunkten Gänge bilden, die nach außen führen.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebeflächen (4) eine quadratische oder rechteckige Form aufweisen, die so auf das Trägermaterial (1) aufgebracht werden, dass die Zwischenräume (5) zwischen den eckigen Klebeflächen Gänge bilden, die bis zum Solarzellenrand (6) reichen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufbringen des Klebeschemas eine Klebeschablone vorgesehen ist, die vor dem Auftragen des Klebstoffes auf das Trägermaterial (1) aufgelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff mittels Rollenvorrichtung auf das mit der Klebeschablone versehene Trägermaterial (1) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass nach dem Auftragen des Klebstoffes und dem Entfernen der Klebeschablone die Solarzellenschicht (3) positionsgenau aufgelegt und mit Druck beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass als Trägermaterial (1) ein lichtdurchlässiges Kunststoffmaterial eingesetzt wird und/oder der Klebstoff eine dunkle Färbung aufweist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Klebstoff vor dem Aufbringen auf das Trägermaterial (1) unter Vakuum entgast wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf das Trägermaterial (1) mehrere Solarzellenschichten (3), nebeneinander angeordnet und miteinander verschaltet, aufgeklebt werden.