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Die
vorliegende Erfindung betrifft Formmassen, die Verwendung der Formmassen
zur Herstellung von Solarzellenmodulen sowie die entsprechenden
Solarzellenmodule.
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STAND DER TECHNIK
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Eine
Solarzelle oder photovoltaische Zelle ist ein elektrisches Bauelement,
das die im Licht, insbesondere die im Sonnenlicht, enthaltene Strahlungsenergie
direkt in elektrische Energie umwandelt. Die physikalische Grundlage
der Umwandlung ist der photovoltaische Effekt, der ein Sonderfall
des inneren photoelektrischen Effekts ist.
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3 ist
ein schematischer Querschnitt, der die Grundstruktur eines Solarzellenmoduls
zeigt. In 5 bezeichnet 501 ein
photovoltaisches Element, 502 ein Verfestigungsmittel, 503 eine
Scheibe und 504 eine Rückwand. Sonnenlicht strahlt
auf die lichtempfindliche Oberfläche des photovoltaischen
Elements 501 ein, indem es die Scheibe 503 und
das Verfestigungsmittel 502 durchdringt, und wird in elektrische
Energie umgewandelt. Der gebildete Strom wird von Ausgangsklemmen
(nicht gezeigt) abgegeben.
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Das
photovoltaische Element kann keine extremen Außenbedingungen
aushalten, weil es leicht korrodiert und sehr zerbrechlich ist.
Es muss daher durch ein geeignetes Material bedeckt und geschützt
werden. In den meisten Fällen wird dies erreicht, indem
man das photovoltaische Element unter Verwendung eines geeigneten
Verfestigungsmittels zwischen einer transparenten Scheibe mit Witterungsbeständigkeit,
wie z. B. einer Glasscheibe, und einer Rückwand mit exzellenter
Feuchtigkeitsbeständigkeit und einem hohen elektrischen
Widerstand einlegt und laminiert.
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Als
Verfestigungsmittel für Solarzellen werden häufig
Polyvinylbutyral und Ethylen-Vinylacetatcopolymere (EVA) verwendet.
Dabei zeigen insbesondere vernetzbare EVA-Zusammensetzungen exzellente
Eigenschaften, wie eine gute Wärmebeständigkeit,
eine hohe Witterungsbeständigkeit, eine große
Transparenz und eine gute Kosteneffizienz.
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Das
Solarzellenmodul soll eine hohe Beständigkeit aufweisen,
weil es draußen für eine lange Zeit verwendet
werden soll. Demzufolge muss das Verfestigungsmittel u. a. eine
exzellente Witterungsbeständigkeit und eine hohe Wärmeformbeständigkeit
aufweisen. Jedoch werden häufig ein Licht-induzierter und/oder
thermisch-induzierter Abbau des Verfestigungsmittels und infolge
dessen eine Gelbverfärbung des Verfestigungsmittels und/oder
ein Abschälen vom photovoltaischen Element beobachtet,
wenn das Modul für eine lange Zeit, wie z. B. zehn Jahre,
draußen verwendet wird. Die Gelbverfärbung des
Verfestigungsmittels führt zu einer Abnahme des nutzbaren
Anteils des einfallenden Lichts und demzufolge zu einer geringeren
elektrischen Leistung. Andererseits ermöglicht ein Abschälen
vom photovoltaischen Element das Eindringen von Feuchtigkeit, welches
zu Korrosion des photovoltaischen Elements selber oder von metallischen
Teilen im Solarzellenmodul führen kann und ebenfalls eine
Verschlechterung der Solarzellenmodulleistung zur Folge hat.
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Obwohl
die gewöhnlich verwendeten EVAs an sich gute Verfestigungsmittel
sind, werden sie durch Hydrolyse und/oder Pyrolyse graduell abgebaut.
Mit der Zeit wird durch Wärme oder Feuchtigkeit Essigsäure
freigesetzt. Dies führt zu einer Gelbverfärbung
des Verfestigungsmittels, zu einer Abnahme der mechanischen Festigkeit
und zu einer Abnahme der Adhäsionsstärke des Verfestigungsmittels.
Weiterhin wirkt die freigesetzte Essigsäure als Katalysator
und beschleunigt den Abbau zusätzlich. Darüber
hinaus tritt das Problem auf, dass das photovoltaische Element und/oder
andere Metallteile im Solarzellenmodul durch die Essigsäure
korrodiert werden.
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Zur
Lösung dieser Probleme schlägt die europäische
Patentanmeldung
EP
1 065 731 A2 die Verwendung eines Solarzellenmoduls vor,
das ein photovoltaisches Element und ein polymeres Verfestigungsmittel umfasst,
wobei das polymere Verfestigungsmittel ein Ethylen-Acrylester-Acrylsäure-Terpolymer,
ein Ethylen-Acrylester-Maleinsäureanhydrid-Terpolymer,
ein Ethylen-Methacrylsäureester-Acrylsäureester-Terpolymer,
ein Ethylen-Acrylsäureester-Methacrylsäure-Terpolymer,
ein Ethylen-Methacrylsäureester-Methacrylsäure-Terpolymer
und/oder ein Ethylen-Methacrylsäureester-Maleinsäureanhydrid-Terpolymer
enthalten soll. Jedoch ist sowohl die Witterungsbeständigkeit
als auch die Effektivität derartiger Solarzellenmodule
beschränkt.
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Aus
dem Stand der Technik ist auch die Verbesserung der Witterungs-beständigkeit
von Acrylformmassen durch die Verwendung geeigneter UV-Absorber
bekannt.
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So
lehrt das deutsche Patent
DE
18 01 221 B1 die Verwendung von Verbindungen der Formel
(I)
als UV-Absorber
für Polymere. Der Rest soll in m- oder p-Stellung zur bereits
vorhandenen Gruppe am Ring A angeordnet sein. Weiterhin kann der
Ring A durch ein oder mehrere Halogenatome, Alkyl- oder Methoxygruppen
substituiert sein. Der Rest R steht für einen gegebenenfalls
substituierten Alkyl-, Cycloalkyl-, Aralkyl- oder Arylrest.
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Der
Einsatz in Polyacrylaten wird als eine Möglichkeit erwähnt.
Hinweise auf die Verwendung der Formmassen für die Herstellung
von Solarzellenmodulen sind der Druckschrift jedoch nicht zu entnehmen.
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WO 2008/025738 beschreibt
die Verwendung einer Zusammensetzung, enthaltend zwei UV-Absorber, zum
Schutz von organischen Substraten, insbesondere von organischen
Polymeren, gegen Abbau aufgrund von Umwelteinflüssen, wie
z. B. Gelbfärbung, Transparenzverlust und Glanzabnahme.
Benzylidenbismalonate der vorstehenden Formel (I), insbesondere
Hostavin
® B-CAP, ein in para-Stellung
substituiertes Benzylidenbismalonat der Formel (I) ohne weitere
Substituenten mit R = Ethyl, werden in diesem Zusammenhang als ein ein
UV-Absorber eingesetzt.
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Der
Einsatz der Zusammensetzung für Ethylenalkylacrylatcopolymere,
Ethylenalkylmethacrylatcopolymere und Ethylenacrylsäurecopolymere
wird als eine Möglichkeit erwähnt. Hinweise auf
die Verwendung der Formmassen für die Herstellung von Solarzellenmodulen
sind der Druckschrift jedoch nicht zu entnehmen.
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US 6,433,044 B1 offenbart
eine Methylmethacrylat-Harzzusammensetzung, die Methylmethacrylat-Harz
und ein 2-(1-Arylalkyliden)-malonsäureester in einer Menge
im Bereich von 0.0005 bis 0,1 Gew.-Teile pro 100 Gew.-Teile Methylmethacrylat-Harz
umfasst.
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Die
Harzzusammensetzung soll insbesondere für die Herstellung
von Lichtleiter verwendet werden. Hinweise auf einen Einsatz der
Formmassen für die Herstellung von Solarzellenmodulen sind
der Druckschrift jedoch nicht zu entnehmen.
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JP 2005-298748 A stellt
Formteile aus einem Methacrylharz zur Verfügung, die bevorzugt
100 Gew.-Teile Methacrylharz, umfassend 60–100 Gew.-% Methmethacrylateinheiten
und 0–40 Gew.-% anderer copolymerisierbarer Vinylmonomereinheiten,
und 0,005–0,15 Gew.-% 2-(2-Hydroxy-4-n-octyloxyphenyl)-4,6-bis(2,4-dimethylphenyl)-1,3,5-triazin
und/oder 2-Hydroxy-4-octyloxybenzophenon enthalten. Die Formteile
sollen eine deutliche Barriere für UV-Strahlen aufweisen
und eine Transparenz von höchstens 20% bei 340 nm und eine
Transparenz von mindestens 70% bei 380 nm zeigen, gemessen an Formteilen
mit einer Dicke im Bereich von 0,5 bis 5 mm.
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Die
Formteile sollen insbesondere als Beleuchtungsabdeckungen eingesetzt
werden. Hinweise auf einen Einsatz der Formmassen für die
Herstellung von Solarzellenmodulen sind der Druckschrift jedoch
nicht zu entnehmen.
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ZUSAMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Möglichkeiten
zur Verringerung des Leistungsabfalls einer Solarzelle bei Langzeitnutzung
im Freien, insbesondere bei hoher Temperatur und/oder hoher Luftfeuchtigkeit,
aufzuzeigen. Zu diesem Zweck sollte insbesondere ein Verfestigungsmittel
für ein Solarzellenmodul angegeben werden, welches eine
exzellente Witterungsbeständigkeit, eine möglichst
hohe Wärmeformbeständigkeit und eine möglichst
große Lichtdurchlässigkeit sowie eine möglichst
geringe Wasserabsorption zeigt. Weiterhin wurde eine möglichst
geringe Freisetzung von Korrosions-fördernden Substanzen,
insbesondere von Säuren, und eine möglichst starke
Adhäsion an den verschiedenen Grundelementen eines Solarzellenmoduls
gewünscht.
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Diese
sowie weitere nicht konkret genannte Aufgaben, die sich aus den
einleitend diskutierten Zusammenhängen jedoch in nahe liegender
Weise ergeben, werden durch die Bereitstellung einer Formmasse mit allen
Eigenschaften des vorliegenden Patentanspruchs 1 gelöst.
Die auf Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüche
beschreiben besonders zweckmäßige Abwandlungen
der Formmasse. Weiterhin werden auch die Verwendung der Formmasse
zur Herstellung von Solarzellenmodulen sowie die entsprechenden
Solarzellenmodule unter Schutz gestellt.
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Dadurch,
dass man eine Formmasse zur Verfügung stellt, die
- a) mindestens ein Polyalkyl(meth)acrylat und
- b) mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel der Formel
(I) enthält in der
R für einen gegebenenfalls substituierten Alkyl-, Cycloalkyl-,
Aralkyl- oder Arylrest steht und der Ring A weitere Substituenten
aufweisen kann,
wobei die Formmasse weiterhin - c) mindestens einen Infrarotabsorber enthält,
wobei
die Formmasse - • bei 500 nm eine Transmission
kleiner 89% aufweist,
- • bei 1000 nm eine Transmission kleiner 80% aufweist,
- • bei 1150 nm eine Transmission kleiner 70% aufweist
und
- • bei 1600 nm eine Transmission kleiner 77% aufweist,
jeweils gemessen mittels Infrarotspektroskopie bei 25°C
an 3 mm Plättchen,
gelingt es auf nicht ohne weiteres
vorhersehbare Weise, eine Verringerung des Leistungsabfalls einer
Solarzelle bei Langzeitnutzung im Freien, insbesondere bei hoher
Temperatur und/oder hoher Luftfeuchtigkeit, bestmöglich
zu verhindern. Insbesondere wird ein Verfestigungsmittel für
ein Solarzellenmodul zur Verfügung gestellt, welches eine
exzellente Witterungsbeständigkeit, eine sehr hohe Wärmebeständigkeit
und eine sehr große Lichtdurchlässigkeit sowie
eine überaus geringe Wasserabsorption zeigt. Weiterhin
werden auch bei Langzeitnutzung im Freien keine Korrosions-fördernden
Substanzen freigesetzt und es wird eine sehr starke Adhäsion
des Verfestigungsmittels an den verschiedenen Grundelementen eines
Solarzellenmoduls erreicht.
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Die
hier vorgestellte Formmasse erlaubt die effiziente Nutzung von „brauchbarem” Licht
im sichtbaren Wellenlängenbereich. Gleichzeitig werden
andere Wellenlängenbereiche, insbesondere im UV-Bereich,
welche nicht zur Erzeugung von Strom genutzt werden können,
effektiv absorbiert. Durch diese Absorption wird die Witterungsbeständigkeit
der Solarzellenmodule erhöht. Weiterhin wird durch die
Absorption ein sich nachteilig auswirkendes Aufheizen der Lichtkollektoren
verhindert, ohne dass Kühlelemente für diese Zwecke
eingesetzt werden müssen, die Lebensdauer der Solarzellenmodule
wird verlängert und ihre Gesamtleistung und Effektivität
wird gesteigert.
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Durch
die erfindungsgemäße Vorgehensweise ergeben sich
insbesondere die folgenden Vorteile:
Es wird ein Solarzellenmodul
mit exzellenter Witterungsbeständigkeit, Wärmebeständigkeit
und Feuchtigkeitsbeständigkeit zugänglich gemacht.
Da die Adhäsion des Verfestigungsmittels verbessert wird,
tritt kein Abschälen auf, selbst wenn das Modul Außenbedingungen
für eine lange Zeit ausgesetzt wird. Weiterhin wird die Witterungsbeständigkeit
verbessert, da das Schutzmaterial sich unter hohen Temperaturen
und hoher Feuchtigkeit nicht zersetzt, um Säure freizusetzen.
Da keine Korrosion des photovoltaischen Elements durch Säure auftritt,
wird eine stabile dauerhafte Leistung der Solarzelle über
eine lange Zeit aufrecht erhalten.
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Weiterhin
wird ein Verfestigungsmittel verwendet, dessen Witterungsbeständigkeit,
Wärmeformbeständigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit überragend
sind und das eine exzellente Lichtdurchlässigkeit aufweist,
welches die Herstellung von sehr guten Solarzellenmodulen ermöglicht.
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BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
ein schematischer Querschnitt eines Solarzellenmoduls gemäß der
vorliegenden Erfindung.
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2a und 2b sind
schematische Querschnitte, die die Grundstruktur eines photovoltaischen Elements,
das im Solarzellenmodul nach 1 verwendet
wird, bzw. eine Aufsicht auf die lichtempfindliche Fläche
des photovoltaischen Elements zeigen.
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3 ist
ein schematischer Querschnitt einer konventionellen Solarzelle.
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1
- 101
- photovoltaisches
Element
- 102
- Verfestigungsmittel
- 103
- Scheibe
- 104
- Verfestigungsmittel
- 105
- Rückwand
-
2a
- 201
- leitendes
Substrat
- 202
- reflektierende
Schicht
- 203
- photoaktive
Halbleiterschicht
- 204
- transparente
leitfähige Schicht
- 205
- Sammelelektrode
- 206a
- Abgreifklemme
- 206b
- Abgreifklemme
- 207
- leitende,
adhäsive Paste
- 208
- leitende
Paste oder Lötzinn
-
2b
- 201
- leitendes
Substrat
- 202
- reflektierende
Schicht
- 203
- photoaktive
Halbleiterschicht
- 204
- transparente
leitfähige Schicht
- 205
- Sammelelektrode
- 206a
- Abgreifklemme
- 206b
- Abgreifklemme
- 207
- leitende,
adhäsive Pasten
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3
- 501
- photovoltaisches
Element
- 502
- Verfestigungsmittel
- 503
- Scheibe
- 504
- Rückwand
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
erfindungsgemäße Formmasse enthält mindestens
ein Polyalkyl(meth)acrylat, welches einzeln oder auch in Mischung
von mehreren verschiedenen Polyalkyl(meth)acrylaten eingesetzt werden
kann. Des Weiteren kann das Polyalkyl(meth)acrylat auch in Form
eines Copolymers vorliegen.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung werden Homo- und Copolymere von
C1-C18-Alkyl(meth)acrylaten,
zweckmäßigerweise von C1-C10-Alkyl(meth)acrylaten, insbesondere von
C1-C4-Alkyl(meth)acrylatpolymeren,
die ggf. noch davon verschiedene Monomereinheiten enthalten können,
besonders bevorzugt.
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Die
Schreibweise (Meth)acrylat bedeutet hier sowohl Methacrylat, wie
z. B. Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat usw., als auch Acrylat,
wie z. B. Methylacrylat, Ethylacrylat usw., sowie Mischungen aus
beiden Monomeren.
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Die
Verwendung von Copolymeren, die 70 Gew.-% bis 99 Gew.-%, insbesondere
70 Gew.-% bis 90 Gew.-%, C1-C10-Alkyl(meth)acrylate
enthalten, hat sich ganz besonders bewährt. Bevorzugte
C1-C10-Alkylmethacrylate
umfassen Methylmethacrylat, Ethylmethacrylat, Propylmethacrylat,
Isopropylmethacrylat, n-Butylmethacrylat, Isobutylmethacrylat, tert.-Butylmethacrylat,
Pentylmethacrylat, Hexylmethacrylat, Heptylmethacrylat, Oktylmethacrylat,
Isooctylmethacrylat und Ethylhexylmethacrylat, Nonylmethacrylat,
Decylmethcrylat sowie Cycloalkylmethacrylate, wie beispielsweise
Cyclohexylmethacrylat, Isobornylmethacrylat oder Ethylcyclohexlmethacrylat.
Bevorzugte C1-C10-Alkylacrylate
umfassen Methylacrylat, Ethylacrylat, Propylacrylat, Isopropylacrylat,
n-Butylacrylat, Isobutylacrylat, tert.-Butylacrylat, Pentylacrylat,
Hexylacrylat, Heptylacrylat, Ocylacrylat, Isooctylacrylat, Nonylacrylat,
Decylacrylat und Ethylhexylacrylat sowie Cycloalkylacrylate, wie
beispielsweise Cyclohexylacrylat, Isobornylacrylat oder Ethycyclohexlacrylat.
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Ganz
besonders bevorzugte Copolymere umfassen 80 Gew.-% bis 99 Gew.-%
Methylmethacrylat(MMA)-Einheiten und 1 Gew.-% bis 20 Gew.-%, vorzugsweise
1 Gew.-% bis 5 Gew.-%, C1-C10-Alkylacrylat-Einheiten,
insbesondere Methylacrylat-, Ethylacrylat- und/oder Butylacrylat-Einheiten.
Die Verwendung des bei der Firma Röhm GmbH erhältlichen
Polymethylmethacrylats PLEXIGLAS® 7N
hat sich in diesem Zusammenhang ganz besonders bewährt.
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Das
Polyalkyl(meth)acrylat kann durch an sich bekannte Polymerisationsverfahren
hergestellt werden, wobei radikalische Polymerisationsverfahren,
insbesondere Substanz-, Lösungs-, Suspensions- und Emulsionspolymerisationsverfahren
besonders bevorzugt werden. Für diese Zwecke besonders
geeignete Initiatoren umfassen insbesondere Azoverbindungen, wie
2,2'-Azobis-(isobutyronitril) oder 2,2'-Azobis(2,4-dimethylvaleronitril),
Redox-Systeme, wie beispielsweise die Kombination von tertiären
Aminen mit Peroxiden oder Natriumdisulfit und Persulfate von Kalium,
Natrium oder Ammonium oder bevorzugt Peroxide (vgl. hierzu beispielsweise
H.
Rauch-Puntigam, Th. Völker, "Acryl- und Methacrylverbindungen",
Springer, Heidelberg, 1967 oder
Kirk-Othmer, Encyclopedia
of Chemical Technology, Vol. 1, Seiten 386ff, J. Wiley, New York,
1978). Beispiele besonders geeigneter Peroxid-Polymerisationsinitiatoren
sind Dilauroylperoxid, tert.-Butylperoctoat, tert.-Butylperisononanoat,
Dicyclohexylperoxidicarbonat, Dibenzoylperoxid und 2,2-Bis-(tert.-butylperoxy)-butan.
Man kann auch bevorzugt die Polymerisation mit einem Gemisch verschiedener
Polymerisationsinitiatoren unterschiedlicher Halbwertzeit durchführen,
beispielsweise Dilauroylperoxid und 2,2-Bis-(tert.-butylperoxy)-butan, um
den Radikalstrom im Verlauf der Polymerisation sowie bei verschiedenen
Polymerisationstemperaturen konstant zu halten. Die eingesetzten
Mengen an Polymerisationsinitiator liegen im Allgemeinen bei 0,01 Gew.-%
bis 2 Gew.-% bezogen auf das Monomerengemisch.
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Die
Polymerisation kann sowohl kontinuierlich als auch chargenweise
durchgeführt werden. Nach der Polymerisation wird das Polymer über
herkömmliche Isolier- und Trennschritte, wie z. B. Filtration,
Koagulation und Sprühtrocknung, gewonnen.
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Die
Einstellung der Kettenlängen der Polymerisate oder Copolymerisate
kann durch Polymerisation des Monomers oder Monomerengemisches in
Gegenwart von Molekulargewichtsreglern erfolgen, wie insbesondere
von den dafür bekannten Mercaptanen, wie beispielsweise
n-Butylmercaptan, n-Dodecylmercaptan, 2-Mercaptoethanol oder 2-Ethylhexylthioglycolat,
Pentaerythrittetrathioglycolat; wobei die Molekulargewichtsregler
im Allgemeinen in Mengen von 0,05 Gew.-% bis 5 Gew.-% bezogen auf
das Monomer oder Monomerengemisch, bevorzugt in Mengen von 0,1 Gew.-%
bis 2 Gew.-% und besonders bevorzugt in Mengen von 0,2 Gew.-% bis
1 Gew.-%, bezogen auf das Monomer oder Monomerengemisch, eingesetzt
werden (vgl. beispielsweise H. Rauch-Puntigam, Th. Völker, "Acryl-
und Methacrylverbindungen", Springer, Heidelberg, 1967; Houben-Weyl,
Methoden der organischen Chemie, Bd. XIV/1, Seite 66, Georg Thieme,
Heidelberg, 1961 oder Kirk-Othmer, Encyclopedia
of Chemical Technology, Vol. 1, Seiten 296ff, J. Wiley, New York,
1978). Besonders bevorzugt wird als Molekulargewichtsregler
n-Dodecylmercaptan eingesetzt.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung enthält die Formmasse
mindestens eine Verbindung der allgemeinen Formel der Formel (I)
in der
R für einen gegebenenfalls substituierten Alkyl-, Cycloalkyl-,
Aralkyl- oder Arylrest steht und der Ring A weitere Substituenten
aufweisen kann.
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Die
Reste R können dabei gleich oder verschieden sein.
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Geeignete
Reste R sind insbesondere Methyl-, Ethyl-, Propyl-, Dodecyl-, Cyclohexyl-,
Benzyl-, Phenyl- und gegebenenfalls durch Halogen, Alkyl- und Alkoxyreste
substituierte Phenylreste. Besonders bevorzugt werden Akylgruppen
mit 1 bis 18 Kohlenstoffatomen und Cycloalkylgruppen 1 bis 18 Kohlenstoffatomen,
insbesondere Reste mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, vorzugsweise mit
1 bis 4 Kohlenstoffatomen, insbesondere Methylgruppen und Ethylgruppen.
Ethylgruppen werden am meisten bevorzugt.
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Geeignete
Substituenten für A sind beispielsweise Halogen oder Alkyl.
Im Rahmen einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung weist
der Ring keine weiteren Substituenten außer Wasserstoff
auf.
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Bevorzugte
Verbindungen der Rahmen der Formel (I) sind solche der Formel (II)
und der
Formel (III)
worin
die Reste R' die gleiche Bedeutung wie zuvor besitzen und vorzugsweise
für einen nicht weiter substituierten Alkylrest mit 1–20
Kohlenstoffatomen, einen Cyclohexyl-, Benzyl- oder Phenylrest stehen.
Besonders bevorzugt werden Verbindungen der Formel (II), worin R',
jeweils unabhängig voneinander, für Ethyl, n-Dodecyl,
Cyclohexyl, Benzyl oder Phenyl, insbesondere für Ethyl,
steht.
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Die
Verbindungen der Formel (I) lassen sich beispielsweise durch Kondensation
von Dialdehyden der Formel (IV)
worin der Ring A gegebenenfalls
weitere Substituenten aufweisen kann, mit Malonsäureestern
der Formel (V)
erhalten.
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Geeignete
Aldehyde der Formel (IV) sind insbesondere Terephthalaldehyd, Isophthalaldehyd,
2-Chlorterephthalaldehyd, 2-Fluorterephthalaldehyd, 2-Methylterephthalaldehyd,
2,2-Dichlorterephthalaldehyd, 2,5-Dichlorterephthalaldehyd, 2,5-Diethylterephthalaldehyd,
Tetramethylterephthalaldehyd, 2,5-Dimethoxyterephthalaldehyd, 4-Methoxyisophthalaldehyd,
5-Methylisophthalaldehyd und Tetramethylisophthalaldehyd.
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Geeignete
Malonsäureester der Formel (V) sind insbesondere Malonsäurediethylester,
Malonsäuredidodecylester, Malonsäuredicyclohexylester,
Malonsäuredibenzylester, Malonsäurediphenylester,
Malonsäuredimethylester, Malonsäuremethylesterethylester,
Malonsäurediethylester, Malonsäuremethylesterpropylester, Malonsäuredipropylester,
Malonsäure-di-(3-chlorpropyl)-ester, Malonsäurediisopropylester,
Malonsäuredibutylester, Malonsäuredi-sek.-butylester,
Malonsäurediisobutylester, Malonsäuredi-tert.butyl-ester,
Malonsäurepentylester, Malonsäuredihexylester,
Malonsäuredioctylester, Malonsäuredinonylester,
Malonsäuredidecylester, Malonsäuredidodecylester,
Malonsäuredioctadecylester und Malonsäuremethylesterphenylester.
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Die
erfindungsgemäße Formmasse zeichnet sich insbesondere
dadurch aus, dass sie
- • bei 500 nm
eine Transmission kleiner 89%, insbesondere im Bereich von 80% bis
kleiner 89%, aufweist,
- • bei 1000 nm eine Transmission kleiner 80%, insbesondere
im Bereich von 75% bis kleiner 80%, aufweist,
- • bei 1150 nm eine Transmission kleiner 70%, insbesondere
im Bereich von 55% bis kleiner 70%, aufweist und
- • bei 1600 nm eine Transmission kleiner 77% aufweist,
jeweils gemessen mittels Infrarotspektroskopie bei 25°C
an 3 mm Plättchen.
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Dabei
kann die Infrarotspektroskopie auf an sich bekannt Weise durchgeführt
werden. Besonders bevorzugt ist jedoch eine Vorgehensweise, bei
der man das Transmissionsspektrum mithilfe des Spectralphotometer
Lambda 19 von der Fa. Perkin Elmer misst.
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Um
die Tranzparenzeigenschaften zu erreichen, umfasst die erfindungsgemäße
Formmasse mindestens einen Infrarotabsorber. „Infrarotabsorber” im
Sinne der vorliegenden Erfindung bezeichnen Substanzen, die im Infrarot-Bereich,
d. h. im Bereich von 780 nm bis 1 mm Licht absorbieren.
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Für
den vorliegenden Zweck werden Infrarotabsorber bevorzugt, die bei
500 nm, 1000 nm, 1150 nm und/oder 1600 nm Licht absorbieren. Diese
können einzeln oder auch in Mischung von zwei oder mehreren Verbindungen
eingesetzt werden, die ggf. bei verschiedenen Wellenlängen
Licht unterschiedlich stark absorbieren.
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Besonders
bevorzugt werden Infrarotabsorber, die bei 500 nm, 1000 nm, 1150
nm und bei 1600 nm Licht absorbieren.
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Für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung ganz besonders bevorzugte
Infrarotabsorber absorbieren Licht in einer Weise, dass das Verhältnis
der Transparenz der Formmasse bei 500 nm zur Transparenz der Formmasse
bei 1150 nm im Bereich von 88 zu 65 bis 69 liegt, jeweils gemessen
mittels Infrarotspektroskopie bei 25°C an 3 mm Plättchen.
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Im
Rahmen der vorliegenden Erfindung hat sich weiterhin die Verwendung
von Polyalkyl(meth)acrylaten als ganz besonders vorteilhaft erwiesen,
die, jeweils gemessen mittels Infrarotspektroskopie bei 25°C
an 3 mm Plättchen, ein Infrarotspektrum im Bereich von
250 nm bis 2500 nm aufweisen, das sich in der Transparenz bei jeder
Wellenlänge um maximal 5%, besonders bevorzugt um maximal
2,5%, insbesondere um maximal 1%, von der Transparenz des im folgenden
angegebenen Referenzspektrums („norm Polyalkyl(meth)acrylat”)
unterscheidet, jeweils bezogen auf die Transparenz der Referenz.
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Ferner
hat sich im Rahmen der vorliegenden Erfindung die Verwendung von
solchen Infrarotabsorber-Polyalkyl(meth)acrylat-Kombinationen ganz
besonders bewährt, die, jeweils gemessen mittels Infrarotspektroskopie
bei 25°C an 3 mm Plättchen, ein Infrarotspektrum
im Bereich von 250 nm bis 2500 nm aufweisen, das sich in der Transparenz
bei jeder Wellenlänge um maximal 5%, besonders bevorzugt
um maximal 2,5%, insbesondere um maximal 1%, von der Transparenz
des im folgenden angegebenen Referenzspektrums („norm Polyalkyl(meth)acrylat
+ Infrarotabsorber”) unterscheidet, jeweils bezogen auf
die Transparenz der Referenz.
Wellenlänge
[nm] | „norm
Polyalkyl(meth)acrylat + Infrarotabsorber” Transparenz
[%] | „norm
Polyalkyl(meth)acrylat” Transparenz [%] |
250 | 0,04 | 0,04 |
255 | 0,27 | 0,34 |
260 | 2,19 | 2,74 |
265 | 6,51 | 7,91 |
270 | 13,73 | 16,66 |
275 | 22,92 | 27,28 |
280 | 32,11 | 37,61 |
285 | 39,39 | 46,11 |
290 | 47,05 | 54,50 |
295 | 52,96 | 61,26 |
300 | 60,08 | 67,56 |
305 | 64,74 | 73,33 |
310 | 69,82 | 78,12 |
315 | 72,35 | 80,87 |
320 | 74,99 | 82,74 |
325 | 76,32 | 84,58 |
330 | 77,97 | 86,00 |
335 | 78,90 | 86,82 |
340 | 80,09 | 87,36 |
345 | 80,33 | 88,47 |
350 | 80,91 | 88,85 |
355 | 81,30 | 89,70 |
360 | 81,58 | 90,24 |
365 | 82,67 | 90,06 |
370 | 82,32 | 91,03 |
375 | 82,75 | 91,02 |
380 | 83,58 | 91,13 |
385 | 83,66 | 91,62 |
390 | 83,99 | 91,80 |
395 | 83,92 | 91,45 |
400 | 84,48 | 91,74 |
405 | 84,87 | 91,71 |
410 | 84,97 | 91,69 |
415 | 85,05 | 91,59 |
420 | 85,35 | 91,67 |
425 | 85,22 | 91,87 |
430 | 85,66 | 91,86 |
435 | 85,94 | 91,80 |
440 | 86,13 | 92,08 |
445 | 86,10 | 91,87 |
450 | 86,52 | 92,16 |
455 | 86,70 | 92,01 |
460 | 86,73 | 92,08 |
465 | 87,16 | 92,04 |
470 | 87,28 | 92,22 |
475 | 87,28 | 92,02 |
480 | 87,73 | 92,10 |
485 | 87,70 | 91,81 |
490 | 87,99 | 91,90 |
495 | 88,07 | 92,13 |
500 | 88,15 | 92,07 |
505 | 88,36 | 92,23 |
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515 | 88,72 | 92,22 |
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1480 | 76,81 | 85,54 |
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1500 | 78,64 | 87,32 |
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1540 | 80,24 | 88,42 |
1545 | 80,10 | 88,22 |
1550 | 79,96 | 88,02 |
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1575 | 78,52 | 86,15 |
1580 | 78,19 | 85,73 |
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1750 | 35,71 | 38,14 |
1755 | 38,41 | 40,99 |
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1765 | 42,49 | 45,31 |
1770 | 43,86 | 46,78 |
1775 | 44,21 | 47,16 |
1780 | 44,56 | 47,55 |
1785 | 45,69 | 48,63 |
1790 | 46,82 | 49,70 |
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1800 | 51,34 | 54,56 |
1805 | 53,45 | 56,73 |
1810 | 55,57 | 58,89 |
1815 | 56,82 | 60,13 |
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1825 | 58,37 | 61,90 |
1830 | 58,69 | 62,44 |
1835 | 58,39 | 61,95 |
1840 | 58,09 | 61,46 |
1845 | 57,49 | 60,73 |
1850 | 56,89 | 60,00 |
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1870 | 57,49 | 60,45 |
1875 | 57,66 | 60,14 |
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1905 | 54,05 | 52,89 |
1910 | 53,81 | 52,42 |
1915 | 54,72 | 54,08 |
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1925 | 55,66 | 56,28 |
1930 | 55,70 | 56,81 |
1935 | 54,00 | 55,26 |
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1960 | 54,35 | 56,54 |
1965 | 56,52 | 58,96 |
1970 | 58,70 | 61,38 |
1975 | 59,78 | 62,48 |
1980 | 60,85 | 63,58 |
1985 | 61,03 | 63,85 |
1990 | 61,21 | 64,13 |
1995 | 60,97 | 63,68 |
2000 | 60,74 | 63,23 |
2005 | 60,55 | 63,13 |
2010 | 60,36 | 63,03 |
2015 | 60,13 | 62,60 |
2020 | 59,90 | 62,16 |
2025 | 59,50 | 61,86 |
2030 | 59,10 | 61,56 |
2035 | 58,92 | 60,90 |
2040 | 58,74 | 60,24 |
2045 | 57,47 | 59,46 |
2050 | 56,20 | 58,68 |
2055 | 55,58 | 57,60 |
2060 | 54,97 | 56,53 |
2065 | 53,88 | 56,09 |
2070 | 52,80 | 55,66 |
2075 | 51,00 | 53,31 |
2080 | 49,20 | 50,96 |
2085 | 46,04 | 47,59 |
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2095 | 37,87 | 39,46 |
2100 | 32,86 | 34,69 |
2105 | 29,70 | 30,80 |
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2165 | 23,02 | 23,83 |
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2175 | 21,30 | 21,97 |
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2185 | 17,27 | 17,89 |
2190 | 15,20 | 15,54 |
2195 | 12,90 | 12,90 |
2200 | 10,60 | 10,26 |
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2210 | 5,74 | 5,57 |
2215 | 3,80 | 3,66 |
2220 | 1,86 | 1,75 |
2225 | 1,21 | 0,93 |
2230 | 0,55 | 0,11 |
2235 | 0,26 | 0,12 |
2240 | –0,02 | 0,13 |
2245 | 0,36 | 0,31 |
2250 | 0,74 | 0,48 |
2255 | 0,55 | 0,21 |
2260 | 0,36 | –0,06 |
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2270 | 0,53 | –0,57 |
2275 | 0,47 | –0,32 |
2280 | 0,40 | –0,06 |
2285 | 0,19 | 0,11 |
2290 | –0,03 | 0,28 |
2295 | 0,25 | 0,32 |
2300 | 0,52 | 0,35 |
2305 | 0,32 | 0,12 |
2310 | 0,12 | –0,11 |
2315 | 0,18 | 0,14 |
2320 | 0,23 | 0,39 |
2325 | 0,46 | 0,25 |
2330 | 0,68 | 0,10 |
2335 | 0,41 | 0,06 |
2340 | 0,14 | 0,01 |
2345 | 0,18 | 0,06 |
2350 | 0,23 | 0,10 |
2355 | 0,10 | 0,01 |
2360 | –0,02 | –0,08 |
2365 | 0,03 | –0,12 |
2370 | 0,09 | –0,16 |
2375 | 0,00 | –0,02 |
2380 | –0,09 | 0,12 |
2385 | –0,07 | –0,12 |
2390 | –0,05 | –0,37 |
2395 | –0,14 | –0,22 |
2400 | –0,22 | –0,08 |
2405 | 0,01 | –0,16 |
2410 | 0,24 | –0,24 |
2415 | 0,18 | –0,17 |
2420 | 0,13 | –0,10 |
2425 | 0,02 | –0,13 |
2430 | –0,09 | –0,16 |
2435 | 0,02 | –0,46 |
2440 | 0,13 | –0,76 |
2445 | 0,14 | –0,27 |
2450 | 0,15 | 0,23 |
2455 | 0,37 | 0,50 |
2460 | 0,58 | 0,76 |
2465 | 0,77 | 0,46 |
2470 | 0,95 | 0,16 |
2475 | 0,92 | 0,37 |
2480 | 0,89 | 0,57 |
2485 | 0,37 | 1,02 |
2490 | –0,14 | 1,46 |
2495 | 0,41 | 0,75 |
2500 | 0,96 | 0,05 |
-
Für
die Zwecke der vorliegenden Erfindung ganz besonders geeignete Infrarotabsorber
sind hybride organische-anorganische Nanopartikel, wie z. B. LUMOGEN
IR 1050 von der Firma BASF.
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Die
erfindungsgemäße Formmasse kann ggf. weitere,
dem Fachmann wohlbekannte Additive enthalten. Bevorzugt werden externe
Schmiermittel, Antioxidantien, Flammschutzmittel, weitere UV-Stabilisatoren, Fließhilfen,
Metalladditive zur Abschirmung elektromagnetischer Strahlung, Antistatika,
Entformungsmittel, Farbstoffe, Pigmente, Haftvermittler, Verwitterungsschutzmittel,
Weichmacher, Füllstoffe und dergleichen.
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Im
Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung enthält die Formmasse mindestens
ein sterisch gehindertes Amin, wodurch die Witterungsbeständigkeit
weiter verbessert wird. Eine Gelbverfärbung oder ein Abbau
der Formmasse, die lange Zeit Außenbedingungen ausgesetzt
wird, kann weiter verringert werden.
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Besonders
bevorzugte sterisch gehinderte Amine schließen Dimethylsuccinat-1-(2-hydroxyethyl)-4-hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpiperazin-polykondensat, Poly[{6-(1,1,3,3-tetramethylbutyl)amino-1,3,5-triazin-2,4,-diyl}{(2.2,6,6-tetramethyl-4-piperidyl)imino}hexamethylen{(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidyl)imino}], N,N'-Bis(3-aminopropyl)ethylenediamin-2,4-bis[N-butyl-N-(1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidyl)amino]-6-chlor-1,3,5-triazinkondensat,
bis(2,2,6,6-Tetramethyl-4-piperidyl)sebazat und 2-(3,5-di-t-4-Hydroxybenzyl)-2-n-butylmalonat
bis(1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidyl) ein.
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Die
erfindungsgemäße Formmasse enthält vorzugsweise
weiterhin mindestens einen Silanhaftvermittler oder eine organische
Titanverbindung, wodurch die Adhäsion an anorganischen
Materialien weiter verbessert wird.
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Geeignete
Silanhaftvermittler schließen Vinyltrichlorosilan, Vinyl-tris(β-methoxyethoxy)silan,
Vinyltriethoxysilan, Vinyltrimethoxysilan, γ-Methacryloxypropyltrimethoxysilan, β-(3,4-Epoxycyclohexyl)ethyltrimethoxysilan, γ-Glycidoxypropylmethyldiethoxysilan,
N-β-(Aminoethyl)-γ-aminopropyltrimethoxysilan,
N-β-(Aminoethyl)-γ-aminopropylmethyldimethoxysilan, γ-Aminopropyltriethoxysilan,
N-Phenyl-γ-aminopropyltrimethoxysilan, γ-Mercaptopropyltrimethoxysilan
und γ-Chlorpropyltrimethoxysilan ein.
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Die
relativen Anteile des Polyalkyl(meth)acrylats, des Verbindung der
allgemeinen Formel (I) und des Infrarotabsorbers können
prinzipiell frei gewählt werden. Besonders bevorzugte Formmassen
umfassen jedoch, jeweils bezogen auf ihr Gesamtgewicht,
- a) 90 Gew.-% bis 99,9899 Gew.-% Polyalkyl(meth)acrylats
- b) 0,01 Gew.-% bis 0,2 Gew.-% Verbindung der allgemeinen Formel
(I) und
- c) 0,0001 Gew.-% bis 0,04 Gew.-% Infrarotabsorber.
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Die
Einarbeitung der Verbindungen in die erfindungsgemäße
Formmasse kann nach den literaturbekannten Verfahren erfolgen, beispielsweise
durch Vermischen mit dem Polymer vor der Weiterverarbeitung bei höherer
Temperatur, durch Zugabe in die Schmelze des Polymeren oder durch
Zugabe zu suspendiertem oder gelöstem Polymer während
seiner Verarbeitung. Sie können gegebenenfalls auch bereite
den Ausgangstoffen zur Herstellung des Polymers zugesetzt werden
und verlieren auch in Gegenwart weiterer üblicher Licht-
und Hitzestabilisatoren, Oxidations- und Reduktionsmitteln und dergleichen
ihre Absorptionsfähigkeit nicht.
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Die
erfindungsgemäße Formmasse besitzt vorzugsweise
eine Erweichungstemperatur von nicht weniger als 80°C (Vicaterweichungstemperatur
VET (ISO 306-B50)). Sie eignet sich daher insbesondere
als Verfestigungsmittel für Solarzellenmodule, da sie nicht
anfängt zu kriechen, selbst wenn das Modul bei der Verwendung
hohen Temperaturen ausgesetzt wird.
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Die
erfindungsgemäße Formmasse besitzt eine vergleichsweise
hohe Totallichtdurchlässigkeit und verhindert auf diese
Weise bei der Anwendung der Formmasse als Verfestigungsmittel in
Solarzellmodulen ein Leistungsabfall der Solarzelle, der durch optischen
Verlust des Verfestigungsmittels bedingt sein könnte. Über den
Wellenlängenbereich von 400 nm bis kleiner 500 nm ist die
Totallichtdurchlässigkeit vorzugsweise mindestens 90%. Über
den Wellenlängenbereich von 500 nm bis kleiner 1000 nm
ist die Totallichtdurchlässigkeit vorzugsweise mindestens
80% (Messung mithilfe des Spectralphotometer Lambda 19 von der Fa.
Perkin Elmer).
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Die
erfindungsgemäße Formmasse eignet sich besonders
für die Herstellung von Solarzellenmodulen, insbesondere
als Verfestigungsmittel in Solarzellenmodulen.
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Ein
besonders vorteilhafter Aufbau eines Solarzellenmoduls wird im Folgenden
unter gelegentlicher Bezugnahme auf die Figuren 1 bis 2B beschrieben.
-
Das
erfindungsgemäße Solarzellenmodul umfasst vorzugsweise
ein photovoltaisches Element 101, ein Scheibe 103,
die die Vorderseite des photovoltaisches Elements 101 bedeckt,
ein erstes Verfestigungsmittel 102 zwischen dem photovoltaischen
Element 101 und der Scheibe 103, eine Rückwand 105,
die die Rückseite 104 des photovoltaisches Elements 101 bedeckt
und ein zweites Verfestigungsmittel 104 zwischen dem photovoltaischen
Element 101 und der Rückwand 105.
-
Das
photovoltaische Element umfasst vorzugsweise eine photoaktive Halbleiterschicht
auf einem leitfähigen Substrat als eine erste Elektrode
zur Lichtumwandlung und eine transparente leitfähige Schicht
als zweite Elektrode, die darauf gebildet ist.
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Das
leitfähige Substrat umfasst in diesem Zusammenhang vorzugsweise
rostfreien Stahl, wodurch die Adhäsionsfestigkeit des Verfestigungsmittels
am Substrat weiter verbessert wird.
-
Die
erfindungsgemäße Formmasse besitzt vorzugsweise
einen Ableitwiderstand von 1–500 kΩ × cm2. Eine Leistungsabnahme der Solarzelle aufgrund
von Kurzschlüssen wird bestmöglich vermieden.
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Eine
Sammelelektrode, die Kupfer und/oder Silber als Bestandteil enthält,
wird vorzugsweise auf der lichtempfindlichen Seite des photovoltaischen
Elements gebildet und die erfindungsgemäße Formmasse
wird vorzugsweise mit der Sammelelektrode in Kontakt gebracht.
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Die
lichtempfindliche Oberfläche des photovoltaischen Elements
wird günstiger Weise mit der erfindungsgemäßen
Formmasse bedeckt und dann wird vorzugsweise ein dünner
Fluoridpolymerfilm als äußerste Schicht darauf
angeordnet.
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Das
erste Verfestigungsmittel 102 soll das photovoltaische
Element 101 vor der Außeneinwirkung schützen,
indem es Unebenheiten der lichtempfindlichen Oberfläche
des Elements 101 bedeckt. Weiterhin dient es auch dazu,
die Scheibe 103 an das Element 101 zu binden.
Daher soll es eine hohe Witterungsbeständigkeit, eine große
Adhäsion und eine hohe Wärmebeständigkeit
zusätzlich zu einer hohen Transparenz aufweisen. Weiterhin
soll es eine niedrige Wasserabsorption zeigen und keine Säure
freisetzen. Um diesen Wünschen zu genügen, wird
vorzugsweise eine erfindungsgemäße Formmasse als
erstes Verfestigungsmittel eingesetzt.
-
Um
eine Reduktion der Lichtmenge zu minimieren, die das photovoltaische
Element 101 erreicht, ist die Lichtdurchlässigkeit
des ersten Verfestigungsmittels 102 im sichtbaren Wellenlängenbereich
von 400 nm bis 800 nm vorzugsweise mindestens 80%, besonders bevorzugt
mindestens 90% im Wellenlängenbereich von 400 nm bis kleiner
500 nm (Messung mithilfe des Spectralphotometer Lambda 19 von der
Fa. Perkin Elmer). Weiterhin hat es vorzugsweise einen Brechungsindex
von 1,1–2,0, vorteilhafter Weise von 1,1–1,6,
um den Lichteinfall aus Luft zu erleichtern (Messung nach ISO
489).
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Das
zweite Verfestigungsmittel 104 wird verwendet, um das photovoltaische
Element 101 vor Außeneinwirkungen zu schützen,
indem Unebenheiten auf der Rückseite des Elements 101 bedeckt
werden. Weiterhin dient es auch dazu, die Rückwand 105 an
das Element 101 zu binden. Daher soll das zweite Verfestigungsmittel
wie das erste Verfestigungsmittel eine hohe Witterungsbeständigkeit,
eine große Adhäsion und eine hohe Wärmebeständigkeit
aufweisen. Es ist daher bevorzugt, die erfindungsgemäße
Formmasse auch als zweites Verfestigungsmittel zu verwenden. Vorzugsweise
wird das gleiche Material sowohl für das erste Verfestigungsmittel
als auch für das zweite Verfestigungsmittel eingesetzt.
Da jedoch die Transparenz optional ist, kann bei Bedarf ein Füllstoff,
wie ein organisches Oxid zum zweiten Verfestigungsmittel zugegeben
werden, um die Witterungsbeständigkeit und die mechanischen
Eigenschaften weiter zu verbessern, oder ein Pigment kann zugegeben
werden, um es anzufärben.
-
Als
photovoltaisches Element 101 werden vorzugsweise bekannte
Elemente, insbesondere monokristalline Siliziumzellen, multikristalline
Siliziumzellen, amorphes Silizium und mikrokristallines Silizium
eingesetzt, wie sie auch in Dünnschichtsiliziumzellen verwendet
werden. Weiterhin sind auch Kupfer-Indium-Selenid- und Halbleiterverbindungen
besonders geeignet.
-
Ein
schematisches Blockdiagramm eines bevorzugten photovoltaischen Elements
wird in 2a und 2b gezeigt. 2a ist
eine schematische Querschnittsansicht eines photovoltaischen Elements,
wohingegen 2b eine schematische Draufsicht
auf ein photovoltaisches Element ist. In diesen Figuren bezeichnet
die Nummer 201 ein leitendes Substrat, 202 eine
reflektierende Schicht auf der Rückseite, 203 eine
photoaktive Halbleiterschicht, 204 eine transparente, leitende
Schicht, 205 eine Sammelelektrode, 206a und 206b Abgreifklemmen
und 207 und 208 leitende, adhäsive oder
leitende Pasten.
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Das
leitende Substrat 201 dient nicht nur als Substrat des
photovoltaischen Elements, sondern auch als zweite Elektrode. Das
Material des leitenden Substrats 201 umfasst vorzugsweise
Silizium, Tantal, Molybdän, Wolfram, rostfreien Stahl,
Aluminium, Kupfer, Titan, eine Karbonfolie, eine verbleite Stahlplatte,
einen Harzfilm und/oder Keramik mit einer leitfähigen Schicht
darauf.
-
Auf
dem leitenden Substrat 201 ist vorzugsweise eine Metallschicht,
eine Metalloxidschicht oder beides als reflektierende Schicht 202 auf
der Rückseite vorgesehen. Die Metallschicht umfasst vorzugsweise
Ti, Cr, Mo, B, Al, Ag und/oder Ni, wohingegen die Metalloxidschicht
vorzugsweise ZnO, TiO2 und SnO2 enthält. Die
Metallschicht und die Metalloxidschicht werden zweckmäßger
Weise durch Gasphasenabscheidung durch Erwärmen oder durch
Elektronenstrahl oder durch Sputtern gebildet.
-
Die
photoaktive Halbleiterschicht 203 dient zur Durchführung
der photoelektrischen Umwandlung. In diesem Zusammenhang bevorzugte
Materialen sind multikristallines Silizium mit pn-Übergang,
Pin Junction-Typen aus amorphes Silizium, Pin Junction-Typen aus
mikrokristallines Silizium und Halbleiterverbindungen, insbesondere
CuInSe2, CuInS2,
GaAs, CdS/Cu2S, CdS/CdTe, CdS/InP und CdTe/Cu2Te. Der Einsatz von Pin Junction-Typen aus
amorphem Silizium wird dabei besonders bevorzugt.
-
Die
Herstellung der photoaktiven Halbleiterschicht erfolgt vorzugsweise,
indem man geschmolzenes Silizium in eine Folie umformt, oder durch
Wärmebehandlung von amorphem Silizium im Falle von polykristallinem
Silizium, durch Plasmagasphasenabscheidung unter Verwendung eines
Silangases als Ausgangsmaterial im Falle von amorphem Silizium und
mikrokristallinem Silizium und durch Ionenplattieren, Ionenstrahlabscheidung,
Vakuumverdampfen, Sputtern oder Galvanisieren im Falle einer Halbleiterverbindung.
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Die
transparente leitfähige Schicht 204 dient als
obere Elektrode der Solarzelle. Sie umfasst vorzugsweise In2O3, SnO2,
In2O3-SnO2(ITO), ZnO, TiO2,
Cd2SnO4 oder eine
kristalline Halbleiterschicht, die mit einer großen Konzentration
an Verunreinigungen dotiert ist. Sie kann durch Widerstandserwärmen-Aufdampfen, Sputtern,
Sprühen, Gasphasenabscheidung oder durch Diffusion von
Verunreinigungen gebildet werden.
-
Im übrigen
können bei dem photovoltaischen Element, auf welchem die
transparente leitfähige Schicht
204 gebildet wurde,
das leitfähige Substrat und die transparente, leitende
Schicht teilweise wegen der Unebenheit der Oberfläche des
leitfähigen Substrats
201 und/oder der Nicht-Einheitlichkeit
zum Zeitpunkt der Bildung der photoaktiven Halbleiterschicht kurzgeschlossen
sein. In diesem Fall kommt es zu einem großen Stromverlust
proportional zur Ausgabespannung. D. h. der Leckwiderstand (Nebenwiderstand)
ist niedrig. Daher ist es wünschenswert, die Kurzschlüsse
zu beheben und das photovoltaische Element nach der Bildung der
transparenten leitfähigen Schicht einer Behandlung zur
Entfernung von Fehlstellen zu unterziehen. Eine derartige Behandlung
wird im Patent
US 4,729,970 im
Detail beschrieben. Durch diese Behandlung wird der Nebenwiderstand
des photovoltaischen Elements auf 1–500 kΩ × cm
2, vorzugsweise auf 10–500 kΩ × cm
2, eingestellt.
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Auf
der transparenten leitfähigen Schicht 204 kann
die Sammelelektrode (Gitternetz) gebildet werden. Sie hat vorzugsweise
die Gestalt eines Gitternetzes, eines Kamms, einer Linie oder ähnliches,
um den elektrischen Strom effektiv zu sammeln. Bevorzugte Beispiele
des Materials, das die Sammelelektrode 205 bildet, sind
Ti, Cr, Mo, W, Al, Ag, Ni, Cu, Sn oder eine leitfähige
Paste, die als Silberpaste bezeichnet wird.
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Die
Sammelelektrode 205 wird bevorzugt durch Sputtern unter
Verwendung eines Maskierungsmusters, durch Widerstandserwärmung,
durch Gasphasenabscheidung, durch ein Verfahren, umfassend die Schritte,
dass man einen Metallfilm über die gesamte Schicht durch
Gasabscheidung bildet und nicht benötigte Teile des Films
durch Ätzen entfernt, durch ein Verfahren, bei welchem
man ein Gitterelektronenmuster durch photochemische Gasphasenabscheidung
bildet, durch ein Verfahren, umfassend die Schritte, dass man ein negatives
Markierungsmuster der Gitterelektrode bildet und die gemusterte
Oberfläche plattiert, durch ein Verfahren, bei welchem
man eine leitfähige Paste aufdruckt, durch ein Verfahren,
bei welchem man Metalldrähte auf eine gedruckte leitfähige
Paste auflötet, gebildet. Als leitfähige Paste
wird vorzugsweise ein Bindemittelpolymer verwendet, in welchem Silber,
Gold, Kupfer, Nickel, Karbon oder ähnliches in Form eines
feinen Pulvers dispergiert ist. Das Bindemittelpolymer schließt
vorzugsweise Polyesterharze, Ethoxyharze, Acrylharze, Alkydharze,
Polyvinylacetatharze, Gummis, Urethanharze und/oder Phenolharze
ein.
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Schließlich
werden vorzugsweise Abgreifenden 206 am leitfähigen
Substrat 201 bzw. an der Sammelelektrode 205 befestigt,
um die elektromotorische Kraft abzugreifen. Die Befestigung der
Abgreifenden 206 am leitfähigen Substrat wird
vorzugsweise erreicht, indem man einen Metallkörper, wie
z. B. eine Kupfernase, am leitfähigen Substrat durch Punktschweißen
oder Löten befestigt, während die Befestigung
der Abgreifenden an der Sammelelektrode vorzugsweise bewerkstelligt
wird, indem man einen Metallkörper mit der Sammelelektrode
mittels einer leitfähigen Paste oder mittels Lötzinn 207 und 208 elektrisch
verbindet.
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Die
photovoltaischen Elemente werden gemäß der gewünschten
Spannung oder Stromstärke entweder in Reihe oder parallel
geschaltet. Weiterhin kann die Spannung oder Stromstärke
gesteuert werden, indem man die photovoltaischen Elemente in ein
isolierendes Substrat einfügt.
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Die
Scheibe 103 in 1 soll eine möglichst
hohe Witterungsbeständigkeit, eine möglichst gute schmutzabweisende
Wirkung und eine möglichst große mechanische Festigkeit
besitzen, da sie die äußerste Schicht des Solarzellenmoduls
ist. Weiterhin soll sie die Langzeitzuverlässlichkeit des
Solarzellenmoduls bei Außenanwendung sicherstellen. Scheiben,
die für die Zwecke der vorliegenden Erfindung in geeigneter
Weise verwendet werden können, schließen (verstärkte)
Glasfolien und Fluoridpolymerfilme ein. Als Glasfolie wird eine
Glasfolie mit hoher Lichtdurchlässigkeit bevorzugt verwendet.
Geeignete Fluoridpolymerfolien umfassen insbesondere Ethylentetrafluorid-Ethylencopolymer
(ETFE), Polyvinylfluoridharz (PVF), Polyvinylidenfluoridharz (PVDF),
Tetrafluorethylenharz (TFE), Ethylentetrafluorid-Propylenhexafluoridcopolymer
(FEP) und Chlortrifluorethylen (CTFE). Das Polyvinylidenfluoridharz
ist hinsichtlich der Witterungsbeständigkeit besonders
geeignet, während das Ethylentetrafluorid-Ethylencopolymer
hinsichtlich der Kombination aus Witterungsbeständigkeit
und mechanischer Festigkeit besonders vorteilhaft ist. Um die Adhäsion
zwischen der Fluoridpolymerfolie und dem Verfestigungsmittel zu
verbessern, ist es wünschenswert, die Folie einer Koronabehandlung
oder einer Plasmabehandlung zu unterziehen. Weiterhin werden auch
gestreckte Folie bevorzugt verwendet, um die mechanische Festigkeit
weiter zu verbessern.
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Im
Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist die Scheibe aus der erfindungsgemäßen
Formmasse gefertigt.
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Die
Rückwand 105 dient der elektrischen Isolation
zwischen dem photovoltaischen Element 101 und der Umgebung
und zur Verbesserung der Witterungsbeständigkeit und wirkt
als verstärkendes Material. Sie ist vorzugsweise aus einem
Material gebildet, das hinreichende elektrisch isolierende Eigenschaften
sicherstellt, eine exzellente Langzeitbeständigkeit aufweist,
thermischer Ausdehnung und thermischer Kontraktion widerstehen kann
und das flexibel ist. Für diese Zwecke besonders geeignete
Materialien schließen Nylonfolien, Polyethylenterephthalat(PET)-Folien
und Polyvinylfluoridfolien ein. Wird eine Feuchtigkeitsbeständigkeit
gefordert, so werden bevorzugt Aluminium-laminierte Polyvinylfluoridfolien,
Aluminium-beschichtete PET-Folien, Siliziumoxid-beschichtete PET-Folien
verwendet. Weiterhin kann die Feuerbeständigkeit des Moduls
verbessert werden, indem man eine folienlaminierte, galvanisierte
Eisenfolie oder eine Folie aus frostfreiem Stahl als Rückwand
verwendet.
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Im
Rahmen einer besonders bevorzugten Ausführungsform der
vorliegenden Erfindung ist die Rückwand aus der erfindungsgemäßen
Formmasse gefertigt.
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Auf
der Außenoberfläche der Rückwand kann
eine stützende Platte befestigt sein, um die mechanische
Festigkeit des Solarzellenmoduls weiter zu verbessern oder um ein
Ausbeulen und Durchbiegen der Rückwand in Folge von Temperaturänderungen
zu verhindern. Besonders bevorzugte Rückwände
sind Bleche aus frostfreiem Stahl, Kunststoffbleche und Bleche aus
FRP (faserverstärkter Kunststoff). Weiterhin kann ein Baustoff
an der Rückscheibe befestigt sein.
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Die
Herstellung eines derartigen Solarzellenmoduls kann auf an sich
bekannte Weise erfolgen. Besonders zweckmäßig
ist jedoch eine Vorgehensweise, die im Folgenden beschrieben wird.
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Um
das photovoltaische Element mit dem Verfestigungsmittel zu bedecken,
wird vorzugsweise ein Verfahren verwendet, bei welchem man das Verfestigungsmittel
thermisch aufschmilzt und durch einen Schlitz extrudiert, um eine
Folie zu bilden, die dann thermisch am Element befestigt wird. Die
Verfestigungsmittelfolie wird vorzugsweise zwischen dem Element
und der Scheibe eingebracht und zwischen dem Element und der Rückwand
und dann verfestigt.
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Zur
Durchführung der thermischen Verfestigung können
bekannte Verfahren wie z. B. Vakuumlaminierung und Rolllaminierung
verwendet werden.
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Das
erfindungsgemäße Solarzellenmodul hat vorzugsweise
eine Betriebstemperatur von bis zu 80°C oder höher,
wobei insbesondere bei hohen Temperaturen der wärmebeständige
Effekt der erfindungsgemäßen Formmasse effektiv
genutzt werden kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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-
Zitierte Patentliteratur
-
- - EP 1065731
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- - DE 1801221 B1 [0010]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - H. Rauch-Puntigam,
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Springer, Heidelberg, 1967 [0032]
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- - ISO 306-B50 [0059]
- - ISO 489 [0070]