DE102006016280A1 - Glasloser Solarstrom-Modul mit flexiblen Dünnschicht-Zellen und Verfahren zu seiner Herstellung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein glasloses Laminat mit flexiblen Dünnschicht-Solarzellen unter Verwendung von handelsüblichen Kunststoff-Folien. Durch den Auftrag einer Sperrschicht direkt auf die Solarzellen wird eine Verkapselung der Solarzellen erreicht, die der üblichen Lamination mit Spezialfolien überlegen und preiswerter ist.
Description
- Solarstrom-Module werden üblicherweise durch Verkapselung von kristallinen Solarzellen zwischen einer lichtseitigen Silikatglas-Scheibe und einer rückseitigen, zweiten Silikatglas-Scheibe oder einer rückseitigen Kunststoff-Folie hergestellt, indem die Solarzellen vorder- und rückseitig mit einer Schmelzklebe-Folie aus EVA (Ethylen-VenylAcetat) bedeckt werden. Nachfolgend wird das gesamte „Paket" in einem so genannten „Laminator" unter leichtem Druck, unter geringem Vakuum und unter Wärmezufuhr unlöslich miteinander verklebt, wobei es darauf ankommt, dass der Zutritt von Feuchtigkeit und Luftsauerstoff zu den Solarzellen möglichst weitgehend unterbunden wird. Hierdurch soll eine „Alterung" bzw. eine Leistungsverlust der Solarzellen während der Nutzungsdauer des Solarmoduls von 20–30 Jahren möglichst gering gehalten werden. Es ist offensichtlich, dass Silikatglas-Scheiben eine wirkungsvolle Sperre gegen den Zutritt von Feuchtigkeit und Luftsauerstoff auch bei extremen klimatischen Bedingungen darstellen, jedoch den Nachteil aufweisen, nicht flexibel/biegbar zu sein.
- Solarmodule, deren Funktion auf einer der so genannten Dünnschicht-Technologien beruht, sind in der Regel noch empfindlicher gegen atmosphärische Einwirkung auf die photoaktive Schicht als Solarmodule mit kristallinen Silizium-Zellen. Andererseits bieten diese Dünnschicht-Techniken die Chance zur Herstellung flexibler Module, weil die photovoltaische Dünnschicht im Gegensatz zu kristallinen Zellscheiben biegsam ist. Hierzu muss allerdings die lichtseitige Abdeckscheibe aus Silikatglas durch eine biegsame, hoch transparente Kunststoff-Folie ersetzt werden.
- Derartige Solarmodule sind in begrenztem Umfang am Markt (unter dem Handelsnamen UNIsolar®); zur frontseitigen Abdeckung muss zwangsläufig eine Spezial-Folie verwendet werden, weil diese Folie hinsichtlich ihrer Wasserdampf-Undurchlässigkeit einer Silikatglas-Scheiben gleichen soll. Üblicherweise werden hierfür Folien aus ETFE oder PTFE (Ethylen-TetraFluorEthylen-Copolymer, PolyTetraFluorEthylen mit den Handelsnamen wie Icosolar®, Tefzell® oder Hostaflon®) verwendet, deren Sperrwirkung durch eine unterseitige Beschichtung mit SiOx verbessert ist. Diese Speziel-Folien sind nicht nur wegen der Bedampfung mit Siliziumoxid, sondern schon vom Material her relativ teuer.
-
1 zeigt die übliche Kapselung von Solarzellen zwischen Folien: Für die vorderseitige Folie (1a ) werden vorzugsweise die vorgenannten Fluorpolymere verwendet, wobei beim Hersteller der solaren Spezial-Folie unterseits eine anorganische Barriereschicht (2 ), üblicherweise aus Siliziumoxid, aufgedampft wird. - Es ist vorgeschlagen worden, die vorderseitige Folie mit einer weiteren, organisch-anorganischer Sperrschicht (
3 ) aus ORMOCER® auszustatten, jedoch hat diese Neuentwicklung die Marktreife bisher noch nicht erreicht. Aus Gründen, die nachfolgend dargelegt werden, ist eine derartige Vorgehensweise auch schwerlich geeignet, die vorliegende Aufgabenstellung eines wirksamen Schutzes der Solarzelle (5 ) gegen die schädigende Wirkung von Feuchtigkeit zu erreichen. - Die Solarzellen (
5 ) werden bei Modul-Herstellern in einen sogenannten Laminator als „Folienpacket" – Frontfolie (1 ,2 , ggf3 )/Schmelzklebe-Folie (4 )/Zellen (5 )/Schmelzklebe-Folie (4 )/Rückseiten-Folie (6 ) – eingelegt und unter Vakuum, Wärme und Druck 15–20 min. unlösbar miteinander verbunden („laminiert"). - Die Zielsetzung dieser Vorgehensweise ist eine feuchtigkeitsdichte Kapselung der Dünnschicht-Zelle vor allem vorderseitig, wobei folgende Zahlenwerte bekannt sind
-
- Die vorliegende Erfindung geht davon aus, dass diese übliche und allenthalben propagierte Vorgehensweise, nämlich die Abdeckfolie extrem feuchtigkeitsundurchlässig zu machen, eine zwar naheliegende, jedoch keineswegs optimale Problemlösung ist: Selbst bei einer sehr dichten Kapselung ist bei längerer Einwirkung von nasser Witterung auf den Folien-Solarmodul letztendlich ein Eindringen kleiner Mengen von Feuchtigkeit in die Schmelzklebeschicht nicht zu vermeiden. Da die sperrend ausgebildete Frontfolie ebenso das Eindringen wie das Entweichen von Feuchtigkeit verhindert, wirkt die Schmelzklebeschicht wie ein Wasserdampf-Speicher. Bei einer nachfolgenden Wärme-Periode (siehe heat-damp-test nach IEC 61646) wirken also zugleich Feuchtigkeit und hohe Temperaturen auf die Zellen ein, was für die Lebensdauer bzw. die Leistungs-Stabilität der Dünnschicht-Zellen äußerst nachteilig ist.
- Die vorliegende Erfindung löst keineswegs die Fragestellung, wie Frontfolien mit einer Dichtigkeit von 10*-3 bis 10*-4 g/m2·d hergestellt werden könnten; tatsächlich wäre eine derartig hochsperrende Frontfolie höchst aufwändig, indem beispielsweise drei Schichten ETFE und zwischenliegend zwei Barriereschichten aus SiOx und/oder ORMOCER® zum Einsatz kommen (derartige Entwicklungen sind bei den Lieferanten von Solarfolien angedacht).
- Die Erfindung ersetzt vielmehr das übliche „geschlossene" System der Verkapselung durch ein „offenes" System: es soll ganz bewusst eine Frontfolie mit geringer Sperrwirkung zum Einsatz kommen, damit eingedrungene Feuchtigkeit beim Einsetzen der Wärmeperiode am Abdampfen nicht gehindert wird. Allerdings ist ein derartiger Vorschlag nur sinnvoll, wenn zugleich die aktive Dünnschicht-Solarzelle unmittelbar an ihrer Oberfläche gegen eine Feuchtigkeits-Einwirkung unempfindlich gemacht wird. Die Kombination dieser beiden Maßnahmen, und somit die Realisierung der Sperrschicht direkt auf der Dünnschicht-Zelle, beispielsweise durch eine hybride Barriereschicht durch aus sogenanntem ORMOCER®, bildet den Kern des vorliegenden Erfindungs-Gedankens.
-
2 zeigt den erfindungsgemäßen Schichten-Aufbau eines glaslosen Folienmoduls mit flexiblen Dünnschicht-Zellen: die vorderseitige Folie (1b ) ist nunmehr nicht mit Barriere-Schichten (2 ,3 ) ausgestattet, sondern vergleichsweise durchlässig. Jedoch ist die Oberfläche der Solarzelle (5 ) mit einer hybriden organisch-anorganischen Barriereschicht (3 ) ausgestattet. Unter dieser kann sich eine weitere, an sich bekannte anorganische Barriereschicht (2 ) befinden, beispielsweise eine Schicht aus Silizium- oder Aluminium-Oxid. - ORMOCERE® sind anorganisch-organische Hybrid-Polymere, deren Herstellung und Verwendung als Barriereschicht der Fraunhofer-Gesellschaft mbH in
DE 196 50 286 („Verpackungsmaterial") geschützt und deren Anwendung von der FhG in der AnmeldungDE 196 15 192 („Verbundsystem mit einer Aromabarriere- oder einer Riechstoffbarriereschicht") spezifiziert wurde. In beiden Veröffentlichungen wird eine Verwendung von ORMOCER® im Solarbereich nicht erwähnt. - Dagegen wird im „Fraunhofer ISC Annual Report 2004" auf den Seiten 22 bis 25 das HIPROLOCO Förderprojekt der EU (ENK5-CT-2000-00325) und seine Ergebnisse diskutiert. Diese Veröffentlichung ("flexible polymer barrier films for encapsulation of solar cells") erscheint zunächst neuheitsschädlich. Dies ist jedoch nicht der Fall, weil ausdrücklich nur die Verkapselung von Zellen durch ein geschlossenes System, d.h. durch Erhöhung der Sperrwirkung von Folien mittels ORMOCER® bearbeitet wurde und beschrieben wird. Wie eine Rückfrage beim Anmelder, dem ISC/FhG Würzburg, Frau Dr. Amberg-Schwab bestätigte, ist die Verwendung von ORMOCER® als direkte Beschichtung der Dünnschicht-Solarzellen, d.h. für die Realisierung des erfindungsgemäßen „offenen Systems", tatsächlich innovativ und ohne Vorbenutzung.
- Mit anderen Worten: die grundsätzliche Problematik eines „geschlossenen Verkapselungs-Systems" ist, dass selbst bei der durch das ORMOCER® hochgradig verbesserten Sperrwirkung der Frontfolie bei langdauernder Einwirkung von Nässe ein Eindringen von Feuchtigkeit in den Zwischenraum zwischen Solarzelle und Deckfolie nicht bzw. nur mit extremem Aufwand (mehrere Folien und Sperrschichten) vermeidbar ist. Da die abdeckende ORMOCER®-Sperrschicht in beide Richtungen gleichermaßen wirkt, wird eine Eindringen und die Verdunstung/das Abdiffundieren von Feuchtigkeit gleichermaßen verhindert. Es tritt somit quasi eine Speicherwirkung für die Feuchtigkeit ein, sodass sich die erwünschte Verminderung der schädlichen Feuchtigkeitseinwirkung auf die Zelle durch eine auf diese Weise verbesserte Verkapselung der Solarzelle sozusagen in ihr Gegenteil verkehrt.
- Die vorliegende Erfindung hat es sich zur Aufgabe gemacht, die vorgenannten Nachteile der Verwendung aufwändiger Spezial-Folien und des „geschlossenen Verkapselungs-Systems" zu vermeiden.
- Hierfür wird vorgeschlagen, zwar ein hochsperrendes Barrierematerial wie das vorgenannte ORMOCER® für die Abdichtung zu verwenden, dieses Material jedoch unmittelbar auf die Dünnschicht-Zellen aufzutragen.
- Zugleich wird die Abdeckfolie in ihrem ursprünglichen, vergleichsweise durchlässigen Zustand belassen (keine Bedampfung mir anorganischen Substanzen), sodass bei der Erwärmungsphase, die auf die Phase der Feuchtigkeitseinwirkung folgt, diese Feuchtigkeit wieder nach außen treten bzw. „abdampfen" kann. Ein derartiges, „offenes System der Zellenkapselung" mit einer Sperrschicht, die direkt auf der Zellenoberfläche aufliegt, führt nachweislich zu einer geringeren Beanspruchung der feuchtigkeits empfindliche Solarzelle insbesondere dann, wenn Zyklen von Feuchtigkeits- und Wärmebeanspruchung unmittelbar aufeinander folgen, wie dies in dem für die Modul-Zertifizierung relevanten „heat-damp-test" nach IEC 61646 der Fall ist.
- In dem erfindungsgemässen, offenen System entfällt die schwer realisierbare Forderung nach einer Frontfolie mit der extrem geringen Wasserdampf-Durchlässigkeit von 10*-3 bis 10*-4 g/m2·d.
- Ausser diesem technologischen Vorteil entsteht eine preislicher Vorteil, indem nämlich statt Folien aus ETFE preiswerteres Folienmaterial zum Einsatz kommen kann, beispielsweise Folien aus PC (Polycarbonat) wie „Makrofol®" von Bayer. Derartige Folien für die vorderseitige Abdeckung von Solarmodulen finden derzeit u.a. deswegen keine Verwendung, weil sie in stärkerem Maß durchlässig für Wasserdampf sind.
- Neben technologischen und preislichen Vorteilen haben Folien, die nicht aus Fluorpolymeren („Teflon®") bestehen, den nicht zu unterschätzenden Vorteil, dass eine der Verklebung mit anderen Kunststoffen (z.B. mit einer vorderseitigen Anschlussdose oder mit einem Rahmen als Kantenschutz) möglich ist, was bei PTFE und ETFE auf nahezu unlösbare Schwierigkeiten stößt.
- Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Abscheidung einer Sperrschicht direkt auf der Zelle betrifft deren Rückseite: da ein Solarmodul auch rückseitig eine gewisse Dichtigkeit gegen Feuchtigkeit benötigt, werden teilweise teure Verbundfolien (z.B. Kunststoff – Alu – Kunststoff) eingesetzt. Beschichtet man die Zelle auch rückseitig mit einer Barriereschicht, so können einfachere, weniger wasserdampfdichte und preiswertere Rückseiten-Folien Verwendung finden.
- Für die Rückseite kann nunmehr dasselbe Folienmaterial, beispielsweise Makrofol®, verwendet werden, welches für die vorderseitige Kapselung eingesetzt wird; dies ist aus Gründen des gleichen thermischen Ausdehnungsverhaltens wünschenswert (Vermeidung eines „Bimetall-Effekts").
- Eine Verbesserung der Erfindung, ein „offenes System" und eine Beschichtung der Dünnschicht-Zelle mit einer Barriereschicht (wie ORMOCER®) zu verwenden, tritt ein, wenn die Solarzelle zuvor mit einer dünnen anorganischen Sperrschicht versehen wird.
- Hierfür stehen bekannte Verfahren wie PA-PVD (plasma activated physical vapor deposition) zur Verfügung, die für die roll-to-roll-Herstellung von flexiblen, bandförmigen Dünnschichtzellen besonders geeignet sind, weil es sich um Normaldruck-Verfahren mit hoher Abscheide-Geschwindigkeit handelt.
- Eine derartige, anorganische „Zwischenschicht" erhöht einerseits durch die Bildung von Kovalenzen die Sperrwirkung der hybriden ORMOCER®-Barriereschicht erheblich und schützt andererseits die Oberfläche der Solarzelle vor einer möglichen, schädigenden Einwirkung der in wässriger-alkoholischer Lösung aufgebrachten ORMOCER®-Schicht.
- Zusammenfassend sein vermerkt, dass die erfindungsgemäße Realisierung des Prinzips einer „offenen Verkapselung" durch Abscheidung von Barriereschichten direkt auf der Solarzelle für den Fachmann offensichtlich nicht nahe liegend ist, weil der Schutz von Solarzellen durch Abdichtung nach dem Prinzip des „geschlossenen Systems" der üblichen Praxis und Denkweise entspricht und die Vorteile der erfindungsgemäßen Vorgehensweise zunächst nicht unmittelbar ersichtlich sind.
-
- 1a
- vorderseitige Folie, z.B. aus ETFE (dicht)
- 1b
- vorderseitige Folie, z.B. aus PC (durchlässig)
- 2
- anorganische Barriereschicht, z.B. aus SiOx
- 3
- hybride Barriereschicht, z.B. aus ORMOCER®
- 4
- Schmelzkleber, z.B. aus EVA
- 5
- Dünnschicht-Solarzelle, z.B. CIS
- 6a
- rückseitige Folie, z.B. Verbundfolie (dicht)
- 6b
- rückseitige Folie, z.B. aus PC (durchlässig)
- 7
- rückseitige Zellenbeschichtung, z.B. aus ORMOCER®
Claims (8)
- Glasloser Solarmodul mit wenigstens einer flexiblen Dünnschicht-Zelle und Verfahren zu seiner Herstellung, dadurch gekennzeichnet, dass eine hochgradig wirksame Barriereschicht als Sperre gegen Feuchtigkeit und Luftsauerstoff direkt auf die lichtzugewandte Seite der flexiblen Dünnschicht-Zellen aufgebracht ist und zugleich eine lichtseitige Deckfolie mit geringer Sperrwirkung Verwendung findet.
- Glasloser Solarmodul nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht aus ORMOCER® besteht.
- Glasloser Solarmodul nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass sowohl die Vorder- wie auch die Rückseite der flexiblen Solarzelle mir einer Barriere nach Anspruch 1 oder 2 beschichtet wird
- Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls mit flexiblen Dünnschicht-Zellen nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht durch Tauchlackierung zugleich vorder- und rückseitig aufgebracht wird.
- Glasloser Solarmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Auftrag der vorgenannten Barriereschicht zunächst eine anorganische Sperrschicht, beispielsweise aus SiOx, direkt auf die Zellen aufgetragen wird.
- Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls mit flexiblen Dünnschicht-Zellen nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Auftrag der anorganischen Sperrschicht durch ein Plasma-Normaldruck-Verfahren (PA-PVD) erfolgt.
- Glasloser Solarmodul nach Anspruch 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseite der flexiblen Solarzelle so vorbehandelt ist, dass das Trägermaterial eine gute Haftung für die Barriereschicht auch rückseitig aufweist.
- Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls mit flexiblen Dünnschicht-Zellen nach Anspruch 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Behandlung der Rückseite der Solarzelle vor dem Temperprozess und derart erfolgt, dass zugleich eine gute Strahlungsabsorption der Substrat-Rückseite beim Durchlauf durch den Temperofen gewährleistet ist.
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