DE102007038240B4

DE102007038240B4 - Verfahren und Anlage zur Herstellung eines Solarmoduls

Info

Publication number: DE102007038240B4
Application number: DE102007038240A
Authority: DE
Inventors: Günter Uber; Anke Schadewald; Frank Bergmann
Original assignee: Inst Kunststofftechnologie und Recycling E V; Institut fur Kunststofftechnologie und -Recycling Ev
Current assignee: Inst Kunststofftechnologie und Recycling E V; Institut fur Kunststofftechnologie und -Recycling Ev
Priority date: 2007-08-13
Filing date: 2007-08-13
Publication date: 2013-02-07
Anticipated expiration: 2027-08-14
Also published as: DE102007038240A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls, bei dem elektrisch verbundene Solarzellen mittels eines fließfähigen, gießfähigen und aushärtbaren Kunststoffs zwischen einer steifen äußeren und einer inneren Schutzabdeckung eingekapselt und verklebt werden, wobei – die Solarzellen entsprechend ihrer im Solarmodul vorgesehenen Lage auf einem Gießtisch positioniert und mittels Unterdruck fixiert werden, – eine äußere Kunststoffschicht aufgetragen wird, indem die Solarzellen durch Vorhanggießen oder Rakeln mit dem fließfähigen Kunststoff beschichtet werden, auf den die äußere Schutzabdeckung unter Verkleben bogenförmig und blasenfrei aufgelegt wird, – diese äußere Kunststoffschicht anschließend unter Wärmeeinwirkung gehärtet wird, – die äußere Schutzabdeckung mit den verklebten Solarzellen gewendet wird und – eine innere Kunststoffschicht aufgetragen wird, indem anschließend der fließfähige Kunststoff durch Vorhanggießen oder Rakeln auf die Rückseite der Solarzellen aufgetragen und nach dem Auflegen der inneren Schutzabdeckung diese innere Kunststoffschicht unter Wärmeeinwirkung gehärtet wird.

Description

Der Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls, bei dem elektrisch verbundene Solarzellen mittels eines fließfähigen, gießfähigen und aushärtbaren Kunststoffs zwischen einer steifen äußeren und einer inneren Schutzabdeckung eingekapselt und verklebt werden, sowie auf eine Anlage zur Durchführung des Verfahrens.
Solarmodule oder Photovoltaikmodule zur Stromerzeugung umfassen als wesentlichen Bestandteil mehrere, elektrisch miteinander verschaltete Solarzellen, die das Sonnenlicht in elektrische Energie umwandeln. Die Solarzellen sind zum Schutz vor mechanischen und klimatischen Einflüssen zwischen einer dem Licht zugewandten transparenten, strahlungs- und witterungsbeständigen ersten, äußeren Abdeckung und einer an der Rückseite vorgesehenen zweiten, inneren Abdeckung in eine mit den beiderseitigen Abdeckungen verklebte Kunststoffschicht eingebettet. Hinsichtlich der Kontaktführung sind die Solarzellen entweder als Busbarzellen mit Front- und Rückseitenkontakten oder als Backkontaktzellen (in der Literatur auch Rückseitenkontaktsolarzellen oder Rückkontaktsolarzellen oder englischsprachig ”back-contact solar cells” genannt) ausgebildet. Das Solarmodul kann zur Versteifung und zur Erleichterung der Handhabung und Montage in einem abgedichteten Rahmen gehalten sein und verfügt zudem über eine elektrische Anschlussdose zur Verbindung mit einem Verbraucher oder weiteren Solarmodulen. Die dem Licht zugewandte äußere Abdeckung besteht zumeist aus einem hochtransparenten Weißglas mit hoher Festigkeit und geringer Lichtreflexion, während für die rückseitige, innere Abdeckung eine Kunststofffolie oder auch eine Glasplatte vorgesehen sein kann.
Die Herstellung eines Solarmoduls erfolgt üblicherweise derart, dass auf die Rückseite der dem Licht zugewandten Glasscheibe zunächst eine beispielsweise aus Ethylen-Vinyl-Acetat bestehende Folie (EVA-Folie) aufgelegt wird und auf dieser die Solarzellen positioniert und mittels Lötbändchen zu einzelnen Strängen verbunden werden und anschließend deren Querverbindungen verlötet werden. Nach dem Auflegen einer weiteren EVA-Folie sowie der zweiten Abdeckung wird die schmelzbare Folie bei Unterdruck und erhöhter Temperatur aufgeschmolzen, um die Solarzellen in dem Kunststoff zu verkapseln und gleichzeitig eine Klebeverbindung mit der äußeren und der inneren Abdeckung herzustellen. Die Verkapselung der Solarzellen und die Verklebung mit den Deckschichten mittels einer Schmelzfolie wird z. B. in DE 198 46 160 A1 oder in DE 42 27 860 A1 , die auch das Verkapseln und Verkleben mit Hilfe eines Gießharzes erwähnt, beschrieben.
Die EP 0 406 814 B1 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines photovoltaischen Moduls, bei dem auf der oberen Abdeckung zunächst die elektrisch miteinander verbundenen Solarzellen angebracht werden und eine auf diese anschließend aufgebrachte Mischung aus einem fluorierten Zwei-Komponenten-Polyurethan und 3-Glycidoxypropyltrimethoxysilan zunächst bei erhöhter Temperatur getrocknet und danach bei noch höherer Temperatur ausgehärtet wird, um die Solarzellen zu verkapseln. Die Verkapselung des Solarmoduls kann auch derart erfolgen, dass Acryl-Polymere auf die Solarzellen gegossen und anschließend ausgehärtet werden.
In der nicht vorveröffentlichten WO 2007/136 318 A1 ist beschrieben, dass mehrere Solarzellen zunächst auf einem Halter mittels Vakuum fixiert werden, dann ein Kleber auf die Solarzellen und darauf eine Glasplatte aufgebracht werden, danach die Glasplatte mit den Solarzellen vom Halter gelöst und auf der freiwerdenden Rückseite der Solarzellen eine Serien- oder Parallel-Verschaltung der Solarzellen vorgenommen wird, wonach das Modul auf dieser Seite mit einer Polymer-Schicht laminiert wird. Aus der SE 529 315 C2 ist es bekannt, dass mehrere Solarzellen auf einem Halter mittels Vakuum fixiert und dann ein Kleber auf die Solarzellen aufgebracht werden.
Aus DE 10 2006 041 169 A1 ist ein Beschichten von Dünnfilmsolarzellen mit einem aushärtbaren Kunststoff durch Vorhanggießen bzw. Rakeln bekannt. Aus DE 103 48 542 A1 ist es bekannt, Solarzellen mit einem leitfähigen Lack zu verschalten.
Die Herstellung der Solarmodule nach den bekannten Verfahren ist jedoch mit einem hohen Arbeits- und Kostenaufwand verbunden.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung von Solarmodulen unter Verwendung eines fließfähigen Verkapselungsmittels und eine entsprechende Anlage zur Durchführung des Verfahren so auszubilden, dass Solarmodule in hoher Qualität mit vermindertem Arbeitsaufwand gefertigt werden können.
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Verfahren gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einer gemäß den Merkmalen des Patentanspruch 7 ausgebildeten Anlage zur Durchführung des Verfahrens gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass die ohne Schutzabdeckung in der vorgesehenen Anordnung auf einem Gießtisch positionierten und fixierten Solarzellen auf der Vorderseite, d. h. der Außenfläche, durch Vorhanggießen oder Rakeln mit einer äußeren Kunststoffschicht beschichtet werden und erst danach die äußere, im Wesentlichen starre Schutzabdeckung bogenförmig auf der äußeren Kunststoffschicht abgelegt und somit ohne Blasenbildung verklebt wird. Nachdem auf der Rückseite der Solarzellen in gleicher Weise eine mit einer inneren Schutzabdeckung verklebte innere Kunststoffschicht aufgebracht wurde, steht nach dem Anbringen eines elektrischen Anschlusses ein Solarmodul zur Verfügung, das mit diesem Verfahren automatisch und unter Verwendung eines nach dem Vergießen oder Rakeln bei erhöhter Temperatur gelierenden Plastisols als Verkapselungsmittel in hoher Qualität gefertigt werden kann.
Als Solarzellen werden vorkontaktierte Busbarzellen oder Backkontaktzellen eingesetzt. Bei nicht verlöteten Backkontaktzellen können die erforderlichen Leiterzüge vor dem Auftragen der inneren Kunststoffschicht in Form eines leitfähigen Plastisols beispielsweise durch Aufdrucken oder -rakeln aufgebracht werden.
Als bei der Herstellung gießfähiges Verkapselungsmittel für die Solarzellen wird erfindungsgemäß ein Plastisol, insbesondere Polyolefin-Plastisol, eingesetzt.
Die mit der inneren Kunststoffschicht verklebte innere Schutzabdeckung kann aus einer Folie oder auch aus Glas bestehen.
Die zur Durchführung des Verfahrens vorgesehene Anlage umfasst eine erste Gießvorrichtung, die einen hohlen Gießbalken mit einem sich über die Breite des Solarmoduls erstreckenden Gießschlitz und einen verfahrbaren, mit Saugöffnungen versehenen Gießtisch aufweist. Eine Handhabungsvorrichtung mit mehreren Reihen Saughalter dient zum Erfassen und Positionieren der Solarzellen auf den Saugöffnungen entsprechend ihrer vorgegebenen Lage im Solarmodul. Eine weitere Handhabungsvorrichtung, bei der die mehreren Reihen Saughalter jeweils als geschlossene Reihe höhenverstellbar sind, wird zum Erfassen und bogenförmigen Auflegen der äußeren Schutzabdeckung auf die äußere Kunststoffschicht eingesetzt. An eine erste Heizeinrichtung zum Härten der äußeren Kunststoffschicht und eine Wendevorrichtung zum Wenden des äußeren Teils des Solarmoduls schließen sich eine zweite Gießvorrichtung zum Aufbringen der inneren Kunststoffbeschichtung, eine Vorrichtung zum Aufbringen der inneren Schutzabdeckung und eine weitere Heizeinrichtung zum Härten der inneren Kunststoffschicht an.
Sofern als Solarzellen nicht vorgelötete Backkontaktzellen verwendet werden, sind der zweiten Gießvorrichtung eine Druck- oder Rakelvorrichtung zum Aufbringen von aus leitfähigem Kunststoff bestehenden Leiterzügen und eine Heizvorrichtung zum Aushärten bzw. Gelieren der so aufgebrachten Leiterzüge vorgeschaltet.
Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird zum Aufbringen des fließfähigen Kunststoffes anstelle der Gießvorrichtung eine Rakelvorrichtung eingesetzt.
In der Anlage, die ohne Laminator auskommt, können unterschiedliche Solarzellengrößen verarbeitet und Solarmodule in verschiedenen Größen in hoher Qualität und mit kurzen Taktzeiten hergestellt werden.
Ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Anlage zur automatischen Fertigung von Solarmodulen unter Verwendung eines Plastisols zur Verkapselung der Solarzellen wird anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Seitenansicht der Anlage und
2 eine Frontansicht der Anlage.
Im vorderen Teil umfasst die Anlage eine erste Rakelvorrichtung oder erste Gießvorrichtung 1 mit einem an einem Portal 2 gehaltenen, als Hohlkörper ausgebildeten Gießbalken 3 mit einem Gießschlitz 4 zum breitflächigen Ausbringen eines als Verkapselungsmittel für die Solarzellen des Solarmoduls dienenden, in fließfähiger Form vorliegenden Polyolefin-Plastisols. Der Gießbalken 3 befindet sich über einem verfahrbaren Gießtisch 5, der eine Vielzahl von in einem bestimmten Raster angeordneten, an ein Sauggebläse angeschlossenen, nicht dargestellten Saugöffnungen aufweist. Oberhalb des Gießtisches 5 ist quer zu dessen Bewegungsrichtung eine längs einer Schiene 6 verfahrbare sowie heb- und senkbare Handhabungsvorrichtung 7 angeordnet, die mit einer Vielzahl von Saughaltern 8 ausgerüstet ist. Die Saughalter 8 sind elektrisch oder hydraulisch in der Höhe einstellbar ausgebildet. Die Anordnung der Saughalter 8 ist an das Raster der Saugöffnungen des Gießtisches 5 bzw. die Anordnung und Größe der Solarzellen angepasst, und zwar in der vorliegenden Ausführungsform so, dass jeweils zwei Saughalter 8 eine, in einem nicht dargestellten Magazin bevorratete Solarzelle erfassen. Gemäß dem Ausführungsbeispiel werden mit der Handhabungsvorrichtung 7 insgesamt 16 Solarzellen in der ihrer vorgegebenen Position im Solarmodul entsprechenden Lage erfasst, bis über den Gießtisch 5 transportiert und auf dem Gießtisch 5 abgelegt. Die Solarzellen sind nun lagerichtig auf dem Gießtisch 5 positioniert und durch den an den Saugöffnungen erzeugten Unterdruck sicher fixiert.
Der Gießtisch 5 mit den Solarzellen wird nun unterhalb des Gießbalkens 3 verfahren. Das in dem Gießbalken 3 befindliche Polyolefin-Plastisol tritt als dünnschichtiger Vorhang aus dem Gießschlitz 4 aus und wird auf die Vorderseite der Solarzellen aufgetragen.
In der Zwischenzeit hat die Handhabungsvorrichtung 7 mit ihren Saughaltern 8 aus einem nicht dargestellten Magazin eine Glasplatte, die als erste, obere Schutzabdeckung 9 für das herzustellende Solarmodul dient, entnommen und lagerichtig oberhalb der mit Polyolefin-Plastisol beschichteten Solarzellen auf dem Gießtisch 5 positioniert. Die aus transparentem Glas bestehende, im Wesentlichen steife Schutzabdeckung 9 wird nun auf der zuvor gegossenen Polyolefin-Plastisol-Schicht bogenförmig abgelegt, das heißt so, dass die Schutzabbdeckung 9 beim Auflegen auf die Polyolefin-Plastisol-Schicht mit Hilfe der jeweils als ganze Reihe höhenverstellbaren Saughalter 8 und mit den in unterschiedlicher Höhe einstellbaren Saughalterreihen leicht gebogen wird und – ausgehend von einer Kante – bogenförmig auf die Polyolefin-Plastisol-Schicht gedrückt bzw. abgerollt wird. Durch das allmähliche, bogenförmige Ablegen der Glasplatte wird eine Blasenbildung zwischen der Polyolefin-Plastisol-Schicht und der Schutzabdeckung verhindert.
Der Gießtisch 5 mit dem zuvor hergestellten, aus der äusseren Schutzabdeckung, dem ersten Verkapselungsmittel, d. h. Polyolefin-Plastisol, und den Solarzellen bestehenden, äußeren Solarmodulteil 10 wird nun mit einem ersten Förderer 17 in eine als Ofen ausgebildete erste Heizvorrichtung 11 gefahren, in der das Polyolefin-Plastisol bei Temperaturen zwischen 130 und 180°C dauerhaft zähelastisch aushärtet bzw. geliert, und fest an der aus einer Glasplatte bestehenden äußeren Schutzabdeckung 9 und den Solarzellen haftet.
In dem nachfolgenden Verfahrensschritt wird das Solarmodulteil 10 in einer Wendevorrichtung 12 gewendet, so dass nun die unbeschichtete, freie Rückseite der Solarzellen zugänglich ist. Mit einem zweiten Förderer 18 wird das Solarmodulteil 10 zu einer Leiterzug-Auftragsvorrichtung 13 transportiert. Im Ausführungsbeispiel werden noch nicht miteinander verlötete, d. h. elektrisch noch nicht verbundene Backkontakt-Solarzellen eingesetzt, auf die in dem nun folgenden Verfahrensschritt in der Leiterzug-Auftragsvorrichtung 13, z. B. in einem Siebdruck- oder Rakelverfahren, ein Leitmittel zur Ausbildung der Leiterzüge zur elektrischen Verbindung der Backkontakt-Solarzellen aufgetragen wird.
Sofern von Anfang an bereits vorkontaktierte Busbar-Solarzellen oder schon miteinander verlötete Backkontakt-Solarzellen eingesetzt werden, entfällt der zuvor geschilderte Verfahrensschritt zur Herstellung der elektrischen Verbindung.
Im Ausführungsbeispiel besteht das auf die Backkontaktzellen aufgetragene Leitmittel aus einem mit leitenden Bestandteilen versehenen und somit leitfähigen Polyolefin-Plastisol, das in dem nächsten Verfahrensschritt mit Hilfe einer zweiten Heizvorrichtung 14 auf eine Temperatur zwischen 130 und 180°C erwärmt und dabei ausgeliert wird.
Die Rückseite des Solarmodulteils 10 wird nun unter Verwendung einer zweiten Gießvorrichtung 15 durch Vorhanggießen mit einem Polyolefin-Plastisol beschichtet, um die Solarzellen auch von ihrer Rückseite her zu verkapseln. Diese zweite, rückseitige Polyolefin-Plastisol-Schicht dient gleichzeitig zur Isolierung der elektrischen Verbindungen an der Rückseite der Solarzellen und als Klebemittel für eine im Anschluss an die Polyolefin-Plastisol-Beschichtung auf diese Schicht mittels einer Foliendoubliereinrichtung 16 als innere Schutzabdeckung aufgebrachte Feuchtigkeitsschutzfolie. Im Falle der Verwendung von Glasplatten als innere Schutzabdeckung wird eine Glasplattendoubliereinrichtung eingesetzt
In dem darauffolgenden Verfahrensschritt erfolgt in einer als Ofen ausgebildeten, dritten Heizvorrichtung 19 bei einer zwischen 130 und 180°C liegenden Temperatur die Aushärtung bzw. Gelierung der aus Polyolefin-Plastisol bestehenden zweiten, inneren Kunststoffschicht. Nach dem Anbringen eines elektrischen Anschlusses und gegebenenfalls eines Rahmens liegt jetzt ein Solarmodul vor, das mit den zuvor beschriebenen Anlagenteilen und Verfahrensschritten sowie unter Einsatz des Plastisol-Verkapselungsmittels in einem kontinuierlichen Verfahren automatisch und daher mit geringem Kostenaufwand und in hoher Qualität gefertigt werden kann.
Bezugszeichenliste

1: erste Gießvorrichtung
2: Portal
3: Gießbalken
4: Gießschlitz
5: Gießtisch
6: Schiene
7: Handhabungsvorrichtung
8: Saughalter
9: Schutzabdeckung
10: Solarmodulteil
11: erste Heizvorrichtung
12: Wendevorrichtung
13: Leiterzug-Auftragsvorrichtung
14: zweite Heizvorrichtung
15: zweite Gießvorrichtung
16: Foliendoubliereinrichtung
17: erster Förderer
18: zweiter Förderer
19: dritte Heizvorrichtung

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls, bei dem elektrisch verbundene Solarzellen mittels eines fließfähigen, gießfähigen und aushärtbaren Kunststoffs zwischen einer steifen äußeren und einer inneren Schutzabdeckung eingekapselt und verklebt werden, wobei – die Solarzellen entsprechend ihrer im Solarmodul vorgesehenen Lage auf einem Gießtisch positioniert und mittels Unterdruck fixiert werden, – eine äußere Kunststoffschicht aufgetragen wird, indem die Solarzellen durch Vorhanggießen oder Rakeln mit dem fließfähigen Kunststoff beschichtet werden, auf den die äußere Schutzabdeckung unter Verkleben bogenförmig und blasenfrei aufgelegt wird, – diese äußere Kunststoffschicht anschließend unter Wärmeeinwirkung gehärtet wird, – die äußere Schutzabdeckung mit den verklebten Solarzellen gewendet wird und – eine innere Kunststoffschicht aufgetragen wird, indem anschließend der fließfähige Kunststoff durch Vorhanggießen oder Rakeln auf die Rückseite der Solarzellen aufgetragen und nach dem Auflegen der inneren Schutzabdeckung diese innere Kunststoffschicht unter Wärmeeinwirkung gehärtet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ein unter Wärmeeinwirkung zähelastisch gelierendes Polyolefin-Plastisol ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nicht verlötete Backkontakt-Solarzellen eingesetzt werden, wobei die erforderlichen Leiterzüge vor dem Auftragen der inneren Kunststoffschicht in einem Druck- oder Rakelverfahren aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterzüge aus einem in der fließfähigen Phase aufgebrachten, elektrisch leitfähigen Polyolefin-Plastisol bestehen, das nach dem Auftragen unter Wärmeeinwirkung geliert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass vorkontaktierte Busbar-Solarzellen oder bereits verlötete Backkontakt-Solarzellen eingesetzt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere steife Schutzabdeckung aus Glas und die innere Schutzabdeckung aus einer Kunststofffolie oder aus Glas besteht.
Anlage zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, aufweisend – eine erste Rakelvorrichtung oder eine erste Gießvorrichtung (1), die einen hohlen Gießbalken (3) mit sich über die Breite des Solarmoduls erstreckendem Gießschlitz (4) zum Aufbringen der äußeren Kunststoffschicht und einen verfahrbaren Gießtisch (5) mit Saugöffnungen zur Fixierung der aufgelegten Solarzellen umfasst, – mindestens eine auf Schienen (6) verfahrbare Handhabungsvorrichtung (7) mit in mehreren Reihen angeordneten Saughaltern (8) zum Aufnehmen und Ablegen der Solarzellen auf dem Gießtisch (5) und mit jeweils als ganze Reihe in unterschiedlicher Höhe einstellbaren Saughaltern (8) zum Aufnehmen und bogenförmigen Ablegen der – äußeren Schutzabdeckung (9) auf der äußeren Kunststoffschicht, – eine erste Heizvorrichtung (11) zum Erhärten der äußeren Kunststoffschicht, – eine Wendevorrichtung (12) für die äußere Schutzabdeckung mit den verklebten Solarzellen, – eine Leiterzug-Auftragsvorrichtung (13) zum Auftragen von elektrischen Leiterzügen auf die Rückseiten nicht vorgelöteter Backkontakt-Solarzellen und eine dieser nachgeschaltete zweite Heizvorrichtung (14) zum Gelieren von aus einem leitfähigen Plastisol bestehenden Leiterzügen, – eine zweite Rakelvorrichtung oder Gießvorrichtung (15) zum Aufbringen der inneren Kunststoffschicht auf die Rückseite der Solarzellen, – eine Vorrichtung (16) zum Auflegen der inneren Schutzabdeckung und – eine dritte Heizvorrichtung (19) zum Erhärten der inneren Kunststoffschicht.
Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Heizvorrichtungen Öfen oder Infrarot-Strahler sind.
Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Leiterzug-Auftragsvorrichtung (13) als Druck- oder Rakelvorrichtung ausgebildet ist.
Anlage nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung zum Auflegen der inneren Schutzabdeckung eine Folien- oder Glasplattendoubliereinrichtung (16) ist.