DE102009026026A1 - Photovoltaikmodul und Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

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Abstract

Ein Photovoltaikmodul, insbesondere Dünnschicht-Photovoltaikmodul (1), welches zumindest eine vorzugsweise als Glasscheibe (5) ausgebildete Trägerscheibe aufweist, eine oder mehrere auf die Trägerscheibe aufgebrachte Schicht(en) (4) zur Erzeugung elektrischen Stroms, wenigstens einen oder mehrere elektrisch leitende Kontakte (6, 7, 8, 9, 12), wenigstens eine Abdeckschicht zum Abdecken zumindest eines Teilbereiches der Trägerscheibe oder der gesamten Trägerscheibe mit den Strom erzeugenden Schichten und den elektrisch leitenden Kontakten und ggf. eine vorzugsweise als Glasscheibe ausgebildete Abdeckscheibe, wobei die Abdeckschicht insbesondere als eine Schmelzbeschichtung ausgebildet ist, zu deren Herstellung wenigstens ein schüttfähiges, körniges Granulat (13) eingesetzt ist. Des weiteren wird ein Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaikmoduls beschrieben.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Photovoltaikmodul nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und ein Verfahren zu dessen Herstellung.
  • Photovoltaikmodule und Verfahren zu deren Herstellung sind in verschiedensten Varianten bekannt.
  • In der Solarindustrie werden zur Herstellung sogenannter Laminate mit kristallinen Siliciumsolarzellen üblicherweise Klebefolien aus Ethyl-Vinyl-Acetat (EVA) verwendet. Die Solarzellen sind dabei zwischen zwei EVA-Folien eingebettet.
  • Ein Frontglas und eine witterungsbeständige Rückfolie schützen die Zellen vor mechanischer Belastung und dem Eindringen von Feuchtigkeit.
  • Der Laminationsprozess erfolgt durch einen Vakuumlaminator. In diesem Gerät wird der Verbund durch eine Heizplatte erwärmt und durch Vakuumpumpen entlüftet. Nach dem Aufschmelzen der Folie wird über eine Membran ein mechanischer Druck aufgebaut und gehalten bis die EVA-Polymerfolie ausreichend vernetzt ist.
  • Für die Verkapselung von Dünnschichtphotovoltaikmodulen werden dagegen Verfahren angewendet, die sich an die Fertigung von VSG-Glasscheiben anlehnen. So ist es aus dem Bereich der Glasherstellung bekannt, Verbundsicherheitsgläser (VSG) zu fertigen, bei denen eine mit einem geeigneten Verfahren verarbeitete Schmelzklebefolie aus extrudiertem Polyvinylbutyral (PVB) zwei Glasscheiben verbindet. Üblicherweise kommt hierfür ein zweistufiger Laminationsprozess zur Anwendung:
    • – Entlüftung des Verbundes in einem Walzenofen oder in einem Vakuumsack;
    • – Lösen der Restluft in der PVB Folie im Autoklaven.
  • Bei der Verkapselung der Dünnschichtphotovoltaikmodule werden auf eine vorzugsweise als Glasscheibe ausgebildete Trägerscheibe zunächst Strom erzeugende bzw. produzierende Schichten sowie ggf. Kontakte u. dgl. aufgetragen. Auf diese Anordnung wird sodann eine unbeschichtete PVB Folie (z. B. mit einer Höhe von 1,14 mm) aufgetragen, die auch dazu dient, mit einer abdeckenden Glasscheibe verbunden zu werden.
  • Für den Verbindungsprozess kann entweder der zweistufige Walzenofen/Autoklaven-Prozess verwendet werden oder ein einstufiger Prozess im Vakuumlaminator.
  • Die Fertigung von blasenfreien Laminaten wird durch in der Schichthöhe aufbauende metallische Kontaktbänder und Vertiefungen im Glaskörper (die z. B. durch Randentschichtung entstehen) erschwert (unterschiedliche Topologie).
  • Es ist zudem nachteilig, dass es oftmals notwendig ist, die überstehende PVB-Folie nach der Fertigung des Laminats per Hand abzuschneiden.
  • Es ist ferner an der Herstellung von Dünnschichtsolarmodulen mit PVB Folien nachteilig, dass es aufgrund der Topologie (unterschiedliche Schichthöhen) der Strom erzeugenden Schichten zu Glasbruch kommen kann und dass relativ viel des PVB Materials zum Einsatz kommen muß, da die Folienstärke nicht beliebig minimierbar ist. Darüber hinaus ist es wünschenswert, dass der Automatisierungsgrad bei der Herstellung des Photovoltaikmoduls erhöht wird.
  • Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, wenigstens einen oder mehrere der vorstehend beschriebenen Nachteile zu beseitigen.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe in Hinsicht auf das Photovoltaikmodul durch den Gegenstand des Anspruchs 1 und in Hinsicht auf das Verfahren zur Herstellung des Photovoltaikmoduls durch den Gegenstand des Anspruchs 6.
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.
  • Nach Anspruch 1 wird ein Photovoltaikmodul, insbesondere ein Dünnschicht-Photovoltaikmodul, geschaffen, welches zumindest folgendes aufweist: eine vorzugsweise als Glasscheibe ausgebildete Trägerscheibe, eine oder mehrere auf die Trägerscheibe aufgebrachte Schicht(en) zur Erzeugung elektrischen Stroms, wenigstens einen oder mehrere elektrisch leitende Kontakte; wenigstens eine Abdeckschicht zum Abdecken zumindest eines Teilbereiches der Trägerscheibe oder der gesamten Trägerscheibe mit den Strom erzeugenden Schichten und den elektrisch leitenden Kontakten und ggf. eine vorzugsweise als Glasscheibe ausgebildete Abdeckscheibe; wobei die Abdeckschicht als eine Schmelzbeschichtung ausgebildet ist, die unter Einsatz oder auf der Basis wenigstens eines schüttfähigen, körnigen Granulats ausgebildet ist.
  • Nach Anspruch 6 wird dagegen ein Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaikmoduls, insbesondere eines Dünnschicht-Photovoltaikmoduls, mit folgenden Schritten geschaffen: a) auf eine Trägerscheibe werden eine oder mehrere Schicht(en) zur Erzeugung elektrischen Stroms und wenigstens einer oder mehrere elektrisch leitende Kontakte aufgebracht; b) auf die in Schritt a) hergestellte Anordnung wird wenigstens eine Abdeckschicht zum Abdecken zumindest eines Teilbereiches der Trägerscheibe oder der gesamten Trägerscheibe mit den Strom erzeugenden Schichten und den elektrisch leitenden Kontakten aufgebracht; und c) die Abdeckschicht des Schrittes b) wird auf der Basis wenigstens einem schüttfähigen, körnigen Granulats als Schmelzbeschichtung ausgebildet.
  • Vorzugsweise ist das Granulat derart auf die Anordnung aus der Trägerscheibe oder der gesamten Trägerscheibe mit den Strom erzeugenden Schichten und den elektrisch leitenden Kontakten aufgebracht, dass Unterschiede in der Höhe der auf der Trägerscheibe angeordneten Schichten und Kontakte sowie der ggf. bereichsweise nicht abgedeckten Trägerscheibe durch das Granulat ausgeglichen sind.
  • Besonders bevorzugt ist das Granulat ein Polyvinylbutyral-Granulat. Der Einsatz des Granulates erlaubt eine Materialminimierung, was sich in niedrigen Herstellkosten niederschlägt.
  • Die Herstellkosten lassen sich dadurch weiter senken, wenn das PVB Granulat aus recyceltem PVB-Material besteht.
  • Zur Herstellung einer Schmelzbeschichtung weist Schritt c) vorzugsweise folgende Teilschritte auf:
    • i. Aufbringen des Granulates auf die im Schritt a) erzeugte Anordnung
    • ii. Schmelzen des Granulates – insbesondere in einem Laminierprozess – zum Ausbilden einer durchgehenden, nicht körnigen Abdeckschicht.
  • Es hat sich als vorteilhaft für die Ausbildung einer Schmelzbeschichtung herausgestellt, wenn die Korngröße des Granulates kleiner als 2,5 mm, vorzugsweise kleiner als 0,5 mm und besonders bevorzugt kleiner als 0,25 mm ist.
  • Die Granulatgröße, bzw. die Körnung des Granulats orientiert sich unter anderem an dem Verfahren zur Auftragung. Mit einfachsten Versuchen ist jeweils eine optimale Korngröße ermittelbar.
  • So ist das Auftragen des Granulats in Pulverform denkbar (ähnlich zu einer Farbauftragung). Es können aber auch Granulate mit einer größeren Korngröße verwendet werden, bis hin zu einige Millimeter großen plättchenartigen Granulatteilen, die einfach aufgerieselt werden können.
  • Bevorzugt wird ein einige Zehntel Millimeter großes Granulat verwendet. Im Versuch wurden beispielsweise Granulatchips verwendet, die einen Durchmesser von ca. 5 mm und eine Höhe von 1,14 mm hatten. Hierdurch kann die Topologie des Dünnfilmmoduls leicht aufgefüllt bzw. passend ausgeglichen werden. Überschüssiges PVB Granulat kann wieder abgezogen oder abgezogen werden.
  • Nach einer Variante der Erfindung wird das Granulat derart auf die Anordnung aus Schritt a) aufgebracht, dass Unterschiede in der Höhe der auf der Trägerscheibe ange ordneten Schichten und Kontakte sowie der ggf. bereichsweise nicht abgedeckten Trägerscheibe durch das Granulat ausgeglichen werden. Derart wird eine ebene Fläche gebildet, auf welche eine Glasscheibe aufgebracht, z. B. aufgeklebt, werden kann.
  • Nach einer anderen Variante der Erfindung wird das Granulat dagegen in unterschiedlicher Höhe auf die Anordnung aus Schritt a) aufgebracht.
  • Das PVB Granulat kann vorteilhaft durch wiedergewonnenes recyceltes PVB (Windschutzscheiben, Verbundgläser) hergestellt werden, welches kostengünstig und gut verfügbar ist.
  • Der Herstellungsprozess auf der Basis eines Granulats wird nachfolgend auch als Laminationsprozess bezeichnet. Dieser Laminationsprozess erfordert eine ausreichende Evakuierung (z. B. im Vakuumlaminator) und ein Aufschmelzen des Granulats. Hierfür kann z. B. ein Vakuumlaminator eingesetzt werden. Ein Folienüberstand kann sich bei diesem Verfahren nicht ausbilden, so dass ein händisches Abtrennen nicht erforderlich ist. Hierdurch kann der Automatisierungsgrad weiter gesteigert werden.
  • Es wäre auch denkbar, eine Heizstraße mit vorgeschalteter Evakuierung zu verwenden.
  • Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nach einer Variante möglich, eine zum Aufbringen einer Beschichtung an sich ungünstige Modultopologie auszugleichen.
  • Hierdurch wird die Gefahr des Glasbruchs beim Laminationsprozess reduziert und der Materialeinsatz verringert. Durch die Verwendung des PVB Granulats können Materialkosten eingespart werden.
  • Durch die gezielte Beeinflussung des Granulatauftrages können die randentschichteten Zonen und die Kontaktbänder mit zusätzlichem PVB Material versehen werden, während die eigentliche Modulfläche, die den wesentlichen Flächenanteil bildet, mit weniger PVB beaufschlagt wird.
  • Darüber hinaus können Schichtfolgen von ungefärbtem und gefärbtem PVB Granulat einfach realisiert werden. Dies ist insbesondere eine Option für die Fertigung von a-Si/μc-Si Tandemzellen, die einen hohen Reflektionsgrad bis 1.100 nm benötigen.
  • Zusätzlich kann die Färbung über die Modulfläche variiert werden. Dieses ist vorteilhaft, wenn an den randentschichteten Zonen kein gefärbtes PVB gewünscht ist, was die Optik des Moduls stört.
  • Nachfolgend werden Ausführungsformen des Standes der Technik und der Erfindung anhand der Zeichnung näher beschrieben. Es zeigen:
  • 1 eine Draufsicht auf ein Dünnschichtsolarmodul;
  • 2–4 Teilschnitte längs der Ebenen A-A, B-B, C-C aus 1;
  • 5–7 zu 2 analoge Anordnungen mit einer darauf aufgebrachten Folie;
  • 8–10 weitere zu 2 analoge Anordnungen mit darauf aufgebrachtem Granulat; und
  • 11 bis 13 weitere zu 2 analoge Anordnungen einer mit einem Granulat bedeckten Glasplatte, Strom erzeugenden Schichten und elektrischen Kontakten/Kontaktbahnen.
  • 1 zeigt ein Dünnschichtsolarmodul 1 in der Draufsicht. Das Dünnschichtsolarmodul 1 besteht im Wesentlichen aus einer Glasscheibe 5, auf die eine oder mehrere Strom erzeugende Schichten 4 (siehe die Seitenansicht der 2) aufgebracht sind.
  • Diese Strom bzw. elektrische Energie erzeugende Schicht oder Schichten sowie ein Randstreifen des Glases müssen im Randbereich der Glasscheibe wieder abgetragen werden, damit die elektrisch leitende Schicht sicher eingekapselt werden kann.
  • Die Entschichtung in der Randzone kann z. B. eine Tiefe von 25 μm aufweisen. In den Randzonenecken 3, in denen eine doppelte Entschichtung stattfindet, kann folglich die Abtragtiefe beispielsweise auch 50 μm betragen.
  • Auf die Schichten 4 werden seitliche Kontaktbänder 6 und 7 aufgebracht (gelötet, geklebt), die zum Sammeln des Stromes auf der Plus- und auf der Minusseite angeordnet(ausgebildet sind.
  • Zum Durch bzw. Weiterleiten des Stromes sind weitere Kontaktbänder, so genannte Querkontakte 8 und 9 vorgesehen.
  • Um einen Kurzschluss zu vermeiden, sind die Querkontakte (Kontaktbänder 8 und 9 auf einer Isolationsfolie 10 angeordnet.
  • In den Kreuzungsbereichen 12 der Seiten- und Querkontakte 6 und 8 bauen diese besonders hoch auf, so dass insgesamt eine Aufbauhöhe von beispielsweise 250 μm entstehen kann.
  • 2 bis 4 zeigen die unterschiedliche Topologie eines Dünnschichtsolarmoduls mit seinen Maximalwerten im Schnitt, wie zu 1 beschrieben.
  • Beispielhaft sei angegeben, dass die Randzone 2 eine Höhe von 25 μm, die Randzonenecke eine Höhe senkrecht zur Scheibenebene von 50 μm, die elektrisch leitende Schicht eine Höhe von 1 μm, der Seitenkontakt eine Höhe von 100 μm, der Querkontakt eine Höhe von 100 μm, die Isolationsfolie eine Höhe von 50 μm, die PVB-Folie eine Höhe von 1,14 mm haben können.
  • 5 bis 7 stellen eine seitliche Ansicht dar, wie 2–4, mit einer aufgelegten PVB Folie 11 nach dem Stand der Technik.
  • Die Darstellung, insbesondere die Höhen, sind stark vereinfacht wiedergegeben und entsprechen nicht den tatsächlichen Abmaßen.
  • Die PVB Folienfläche ist bei der Produktion der Dünnschichtsolarmodule nach dem Stand der Technik größer als die Fläche der Glasscheibe, so dass im Randbereich die überstehende Folie (Folienüberstand 15 in 3) abgetrennt werden muss.
  • 8 bis 10 zeigen erfindungsgemäße Anordnungen, wobei anstelle der PVB Folie 11 ein PVB Granulat 13 zum Ausbilden einer Schmelzbeschichtung zum Einsatz kommt. Es ist der Zustand dargestellt, in welchem das PVB-Granulat auf die Anordnung aus der Glasscheibe 5, den Schichten 4 und den Kontakten 6, 8 aufgebracht ist. Mit dem PVB-Granulat kann an der Oberseite eine ebene Fläche 15 erzeugt werden (9, 10). Zu erkennen ist, dass alle Höhen und Tiefen des Dünnschicht Solarmoduls ausgeglichen werden können.
  • 11–13 zeigen eine vorteilhafte, alternative bevorzugte Ausgestaltung, bei der in den kritischen Bereichen – insbesondere in den Randzonen 2 – die Topologie nicht (nur) ausgeglichen wird, sondern bei der in kritischen Bereichen verhältnismäßig extra viel PVB-Granulat 13 angehäuft wird. Hierdurch wird die Glasbruchgefahr deutlich verringert und es kann die Menge an einzusetzendem PVB-Granulat deutlich reduziert werden, da insbesondere in den großflächigen Anteilen die PVB Schichthöhe auf ein Minimum reduziert werden kann.
  • Denkbare Verfahren zum Auftragen des PVB Granulats 13 sind beispielsweise ein Aufblasen oder Spritzen von PVB Granulat oder ein Aufrieseln des PVB Granulats.
  • Der Begriff des Granulats ist nicht zu eng zu fassen. Unter ihm ist ein körniges, schüttfähiges und nicht fließfähiges oder folienartiges Gut zu verstehen.
  • Das PVB-Granulat kann eine PVB-Pulver ausbilden oder PVB Blättchen oder dgl.
  • Ein Glattziehen des PVB Granulats 13 ist ebenfalls denkbar. Das Granulat 13 kann auch einem Trägermaterial zugeführt werden (z. B. eine Flüssigkeit die nach dem Auftrag verdampft).
  • Vor oder nach dem Einschmelzen des Granulats 13 zu einer Beschichtung kann auf diese Anordnung eine Glasscheibe aufgebracht werden (direkt oder ggf. mit einem Klebe-/Laminiervorgang).
  • Es ist auch denkbar, die untere Trägerscheibe, vorzugsweise die Glasscheibe 5 geeignet chemisch und/oder physikalisch vorzubehandeln, um das Ansammeln des Granulats zu unterstützen. Beispielsweise kann ein statisches Aufladen der Glasscheibenoberflache erfolgen.
    • 1
    Dünnschichtsolarmodul
    2
    Randzone
    3
    Randzonenecke
    4
    Elektrisch leitende Schichten
    5
    Glas (Trägerscheibe, Deckscheibe)
    6
    Seitenkontakt
    7
    Seitenkontakt
    8
    Querkontakt
    9
    Querkontakt
    10
    Isolationsfolie
    11
    PVB Folie
    12
    Kreuzungsbereiche
    13
    PVB-Granulat
    14
    Kreuzungsbereich
    15
    Ebene Fläche

Claims (17)

  1. Photovoltaikmodul, insbesondere Dünnschicht-Photovoltaikmodul (1), welches zumindest folgendes aufweist: A) eine vorzugsweise als Glasscheibe (5) ausgebildete Trägerscheibe, B) eine oder mehrere auf die Trägerscheibe aufgebrachte Schicht(en) (4) zur Erzeugung elektrischen Stroms, C) wenigstens einen oder mehrere elektrisch leitende Kontakte (6, 7, 8, 9, 12); D) wenigstens eine Abdeckschicht zum Abdecken zumindest eines Teilbereiches der Trägerscheibe oder der gesamten Trägerscheibe mit den Strom erzeugenden Schichten und den elektrisch leitenden Kontakten und ggf. eine vorzugsweise als Glasscheibe ausgebildete Abdeckscheibe; dadurch gekennzeichnet, dass E) die Abdeckschicht insbesondere als eine Schmelzbeschichtung ausgebildet ist, zu deren Herstellung wenigstens ein schüttfähiges, körniges Granulat (13) eingesetzt ist.
  2. Photovoltaikmodul, insbesondere Dünnschicht-Photovoltaikmodul (1), nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat derart auf die Anordnung aus der Trägerscheibe mit den Strom erzeugenden Schichten und den elektrisch leitenden Kontakten aufgebracht ist, dass Unterschiede in der Höhe der auf der Trägerscheibe angeordneten Schichten (4) und Kontakte (6, 7, 8, 9) sowie der ggf. bereichsweise nicht abgedeckten Trägerscheibe durch das Granulat (13) ausgeglichen sind.
  3. Photovoltaikmodul, insbesondere Dünnschicht-Photovoltaikmodul (1), nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat ein Polyvinylbutyral-Granulat – PVB-Granulat – (13) ist.
  4. Photovoltaikmodul, insbesondere Dünnschicht-Photovoltaikmodul (1), nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das PVB Granulat (13) aus recyceltem PVB-Material besteht.
  5. Photovoltaikmodul, insbesondere Dünnschicht-Photovoltaikmodul (1), nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Korngröße des Granulates kleiner als 2,5 mm, vorzugsweise kleiner als 0,5 mm ist und besonders bevorzugt kleiner als 0,25 mm ist.
  6. Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaikmoduls, insbesondere eines Dünnschicht-Photovoltaikmoduls (1), nach einem der vorstehenden Ansprüche mit folgenden Schritten: a) auf eine vorzugsweise als Glasscheibe (5) ausgebildete Trägerscheibe werden eine oder mehrere Schicht(en) (4) zur Erzeugung elektrischen Stroms und wenigstens einer oder mehrere elektrisch leitende Kontakte (6, 7, 8, 9) aufgebracht; b) auf die in Schritt a) hergestellte Anordnung wird wenigstens eine Abdeckschicht zum Abdecken zumindest eines Teilbereiches der Trägerscheibe oder der gesamten Trägerscheibe mit den Strom erzeugenden Schichten und den elektrisch leitenden Kontakten aufgebracht; dadurch gekennzeichnet, dass c) die Abdeckschicht des Schrittes b) unter Einsatz wenigstens eines schüttfähigen, körnigen Granulats (13) insbesondere als Schmelzbeschichtung ausgebildet wird.
  7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schritt c) folgende Teilschritte aufweist: i. Aufbringen des Granulates (13) auf die im Schritt a) erzeugte Anordnung ii. Schmelzen des Granulates zum Ausbilden einer durchgehenden, nicht körnigen Abdeckschicht.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat derart auf die Anordnung aus Schritt a) aufgebracht wird, dass Unterschiede in der Höhe der auf der Trägerscheibe angeordneten Schichten und Kontakte sowie der ggf. bereichsweise nicht abgedeckten Trägerscheibe durch das Granulat ausgeglichen werden.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat in unterschiedlicher Höhe auf die Anordnung aus Schritt a) aufgebracht wird.
  10. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass als das Granulat ein Polyvinylbutyral-Granulat (13) verwendet wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat (13) mit einem Spritzvorgang aufgebracht wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat (13) durch Aufblasen aufgebracht wird.
  13. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat (13) mit einem Schüttvorgang aufgebracht wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Granulat (13) mit einem Trägermaterial aufgebracht wird.
  15. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) wenigstens zwei Schichten aufgebracht werden, von denen wenigstens eine Schicht aus ungefärbtem und wenigstens eine Schicht aus gefärbtem PVB Granulat (13) gebildet wird.
  16. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) das Granulat (13) in Zonen erhöhter Glasbruchgefahr, insbesondere an Kontakten oder in Randbereichen mit einer gegenüber den übrigen Bereichen der Beschichtung größeren Schichthöhe aufgebracht wird.
  17. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt c) die Färbung über die Modulfläche variiert wird.
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