DE102010025204B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Steuerung der Temperaturführung bei einem thermischen Laminationsprozess - Google Patents

Abstract

Verfahren zur Steuerung der Temperaturführung bei einem thermischen Laminationsprozess, insbesondere bei der Herstellung von Photovoltaikmodulen oder Verbundgläsern, bei dem eine oder mehrere Laminierschichten (2) in einer Aufheizphase auf eine Laminiertemperatur aufgeheizt und gegebenenfalls in einer anschließenden Haltephase für einen Haltezeitraum auf der Laminiertemperatur gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine dielektrische Eigenschaft des einen oder der mehreren Laminierschichten (2) während der Aufheiz- und/oder Haltephase mit der Technik der dielektrischen Thermoanalyse überwacht und die Aufheiz- und/oder Haltephase in Abhängigkeit von der überwachten dielektrischen Eigenschaft beendet wird.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Steuerung der Temperaturführung bei einem thermischen Laminationsprozess, insbesondere bei der Herstellung von Photovoltaik-Modulen oder Verbundgläsern, bei dem eine oder mehrere Laminierschichten in einer Aufheizphase auf eine Laminiertemperatur aufgeheizt und gegebenenfalls in einer anschließenden Haltephase für einen Haltezeitraum auf der Laminiertemperatur gehalten werden.
• Photovoltaik-Module müssen in geeigneter Weise verkapselt werden, um sie vor langfristigen Umwelteinflüssen wie beispielsweise Feuchtigkeit zu schützen. Die Verkapselung erfolgt in der Regel über einen thermischen Laminationsprozess, beispielsweise einen Vakuum-Laminationsprozess. Hierbei werden die Photovoltaik-Zellen und Leiterbahnen zwischen zwei Kunststofffolien als Verkapselungsmaterial platziert, die von einem Frontglas und einer Rückseitenfolie oder einem Rückseitenglas abgeschlossen werden. Bei Dünnschicht-Solarmodulen sind die Photovoltaik- bzw. Solarzellen bereits auf dem Frontglas oder dem Rückseitenträger aufgebracht, so dass dann nur eine Verkapselungsfolie für den Laminationsprozess eingesetzt wird. Die Laminate werden anschließend in einem Vakuum-Laminator aufgeheizt und zu einem festen Laminatverbund verpresst. Für die Qualität der Laminierung, insbesondere eine möglichst dauerhafte Verkapselung der Solarzellen mit den Laminierschichten, stellen das Erweichen, Aufschmelzen und gegebenenfalls Vernetzen des Verkapselungs- bzw. Laminiermaterials kritische Faktoren dar. Die Temperatur beim Laminationsprozess muss so geführt werden, dass thermoplastische Materialien genügend erweicht oder aufgeschmolzen und vernetzende Materialien ausreichend ausgehärtet und vernetzt werden.
• Stand der Technik
• Für die Ermittlung einer geeigneten Temperaturführung werden die eingesetzten Verkapselungs- bzw. Laminiermaterialien derzeit vor oder nach einem Laminationsprozess analysiert. Dazu wird entweder vor dem Laminationsprozess aus dem eingesetzten Material oder nach dem Laminationsprozess aus dem Photovoltaik-Modul eine Probe entnommen und jeweils unter Wärmeeinwirkung auf definierte Eigenschaften hin untersucht.
• Dies kann beispielsweise mit der Technik der differentiellen Wärmestromkalorimetrie (DSC) erfolgen. Wird ein Polymer mittels DSC aufgeheizt, so kann der Wärmestrom beim Schmelzen des thermoplastischen Polymers sowie während einer thermisch induzierten Vernetzung eines Polymers gemessen werden. Mittels thermokinetischer Modellierung ist es möglich, den Wärmestrom bzw. das resultierende Endprodukt einer Vernetzungsreaktion, unter Vorgabe eines festen Temperaturprogramms während der Laminierung vorherzusagen. Diese Technik bietet allerdings nur die Möglichkeit, die nach einer Laminierung resultierenden physikalischen oder chemischen gesamten Reaktionswärmen abzuschätzen. Schwankungen, beispielsweise der Vernetzerkonzentration, in den vermessenen Proben bieten aufgrund der kleinen Probenmenge hier eine Fehlerquelle in der Prozessvorhersage.
• Eine zweite Möglichkeit zur Vorab-Analyse des Schmelz- oder Vernetzungsverhaltens von Polymerfolien bietet die so genannte dynamisch-mechanische Analyse (DMA). Hierbei wird ebenfalls eine Probe aus dem Rohmaterial entnommen und unter gleichmäßig oszillierender Belastung aufgeheizt, abgekühlt oder auf konstanter Temperatur gehalten. Die auf diese Weise während des Versuches zwischen zwei planparallelen Platten belastete Probe weist eine weitaus größere Probenmenge auf, so dass strukturelle und additivbezogene Schwankungen zwischen den einzelnen Proben minimiert werden. Bei isothermer Analyse eines thermisch induzierten, vernetzenden Materials stellt sich nach einer materialspezifischen und temperaturabhängigen Zeit ein konstantes Eigenschaftsbild bezüglich mechanischer Eigenschaften ein. Die Ergebnisse können zur formalkinetischen Modellierung und Vorhersage komplexer Temperaturverläufe herangezogen werden. Diese bildet dann die Grundlage für eine Vorgabe eines Temperaturprogramms für die Laminierung.
• Eine weitere bekannte Technik zur Untersuchung des Erweichungs-, Schmelz- und Vernetzungsverhaltens von Polymeren stellt die so genannte dielektrische Thermoanalyse (DETA) dar. Hier wird analog zu den beiden obigen Verfahren ebenfalls eine Probe des Materials entnommen und aufgeheizt bzw. isotherm gehalten. Die Probe wird dabei zwischen die planparallelen Platten eines Kondensators platziert und ein konstantes elektrisches Wechselfeld angelegt. Aufgrund der im Polymer enthaltenen polaren Gruppen kann ein dielektrischer Effekt beobachtet werden. Dieser ist u. a. abhängig von der inneren Struktur des Polymers, so dass sich nach vollständigem Erweichen oder Vernetzen ein konstantes dielektrisches Eigenschaftsbild einstellt.
• Die bisher eingesetzten Techniken zur Festlegung der Temperaturführung bei einem thermischen Laminationsprozess haben den Nachteil, dass sie zum Teil einen erheblichen Versuchs- und Auswerteaufwand erfordern und Schwankungen in den Materialeigenschaften der eingesetzten Verkapselungsmaterialien nicht berücksichtigen. Dies kann jedoch eine ungenügende Verarbeitung des Verkapselungsmaterials und damit eine unzureichende Qualität der Laminierung bzw. Verkapselung zur Folge haben.
• Die DE 10 2004 030 658 A1 beschreibt einen Laminator, insbesondere für Solarzellen-Module oder Verbundglasscheiben, mit einer als Mehrfach-Membran ausgebildeten Andrück-Membran. Damit sind bei einer Undichtigkeit der dem zu laminierenden Bauteil zugewandten Membran immer noch eine oder mehrere weitere Membranen innerhalb der Andrück-Membran vorhanden, die für die notwendige Dichtigkeit der Andrück-Membran sorgen. Die Druckschrift geht nicht auf die Temperaturführung beim Laminationsprozess ein.
• Die DE 100 01 675 A1 beschreibt eine Vorrichtung sowie ein Verfahren zur Thermoanalyse zur genauen Messung der Temperatur einer Probe mit großem Durchmesser. Hierzu wird eine physikalische Eigenschaft einer Bezugssubstanz gemessen, die im gleichen Ofen oder unter den gleichen Heizbedingungen wie die Probe aufgeheizt wird. Die Temperatur der Probe wird dann auf Basis der Messergebnisse eines Wertes der physikalischen Eigenschaft der Bezugssubstanz und der Probe bestimmt.
• C. Kürten et al.: „Online”-Aushärtekontrolle bei der Verarbeitung von Duroplasten, AVK-TV Tagung Baden-Baden, Sept. 1998 beschreibt verschiedene Verfahren zur Online-Aushärtekontrolle bei der Press- und Spritz-Gieß-Verarbeitung duroplastischer Formmassen. Hierbei wird auch eine dielektrische Messmethode untersucht, bei der die Änderungen der elektrischen Eigenschaften während des Erweichens und der anschließenden Härtung erfasst werden.
• Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren sowie eine Vorrichtung zur Festlegung der Temperaturführung bei einem thermischen Laminationsprozess anzugeben, die sich ohne großen Aufwand realisieren lassen und eine höhere Qualität der Laminierung bieten.
• Darstellung der Erfindung
• Die Aufgabe wird mit dem Verfahren und der Vorrichtung gemäß den Patentansprüchen 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sowie der Vorrichtung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
• Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird bei einem thermischen Laminationsprozess, bei dem eine oder mehrere Laminierschichten in einer Aufheizphase auf eine Laminiertemperatur aufgeheizt und gegebenenfalls in einer anschließenden Haltephase für einen Haltezeitraum auf der Laminiertemperatur gehalten werden, eine dielektrische Eigenschaft der einen oder der mehreren Laminierschichten während der Aufheiz- und/oder Haltephase mit der Technik der dielektrischen Thermoanalyse in situ überwacht und die Aufheiz- und/oder Haltephase in Abhängigkeit von der überwachten dielektrischen Eigenschaft beendet. Damit wird eine Steuerung der Temperaturführung durch die Überwachung des inneren, strukturellen Zustands der Verkapselungs- bzw. Laminiermaterialien der Laminierschichten während des Laminierprozesses ermöglicht.
• Hierbei wird ausgenutzt, dass die Technik der dielektrischen Thermoanalyse in den Laminationsprozess integriert werden kann, indem die hierfür notwendigen Elektroden an den zu überwachenden Laminierschichten oder den diesen benachbarten Schichten fixiert bzw. angebracht werden. Durch Anlegen eines elektrischen Wechselfeldes und Auswerten der resultierenden Phasenverschiebungen zwischen Strom und Spannung lässt sich auf diese Weise die dielektrische Eigenschaft des Laminiermaterials während der Aufheiz- und gegebenenfalls Haltephase überwachen. Die Haltephase ist bei Laminiermaterialien erforderlich, bei denen eine Vernetzungsreaktion stattfindet. Bei Einsatz von thermoplastischen Polymeren, die nicht vernetzen, kann auf die Haltephase verzichtet werden. Über die überwachten dielektrischen Eigenschaften lässt sich das vollständige Aufschmelzen des Laminiermaterials feststellen, so dass dann die Aufheizphase beendet werden kann. In gleicher Weise lässt sich über die Überwachung dieser dielektrischen Eigenschaften auch die vollständige Vernetzung erfassen, nach der die Haltephase beendet wird.
• Damit wird eine optimale zeitliche Steuerung der Aufheiz- und/oder Haltezeiten erreicht. Unabhängig von Schwankungen in der Zusammensetzung des Laminiermaterials, bspw. von Schwankungen in der Vernetzerkonzentration bei vernetzenden Materialien, wird immer ein vollständiges Aufschmelzen bzw. Vernetzen gewährleistet. Auch eine Kenntnis über die sich während der Lamination einstellenden Temperaturen über den Querschnitt des Laminates ist nicht mehr erforderlich. Die in situ Analyse des vollständigen Aufschmelzens thermoplastischer Materialien führt zu einer Steuerung des Prozesses, welche eine ausreichende Fließfähigkeit gewährleistet und somit insbesondere bei der Verkapselung eines Photovoltaikmoduls zu einem adäquaten Umfließen der einzelnen Komponenten im Modul führt. Bei vernetzenden Materialien kann durch die vorgeschlagene Steuerung des Laminationsprozesses eine ausreichende Vernetzung des Laminier- bzw. Verkapselungsmaterials erreicht werden. Diese ist mit entscheidend für die Alterungsbeständigkeit des zu laminierenden Elementes bzw. Photovoltaik-Moduls, da der im Material enthaltene unverbrauchte Vernetzer zu chemischen Reaktionen führen kann, welche Vergilbung, Radikalbildung o. ä. zur Folge haben können. Somit wird mit dem vorgeschlagenen Verfahren eine höhere Qualität der Laminierung bzw. Alterungsbeständigkeit des Laminatverbundes erreicht. Das Verfahren und die zugehörige Vorrichtung lassen sich in einfacher Weise realisieren und erfordern keinen hohen Versuchs- oder Berechnungsaufwand.
• Selbstverständlich lassen sich das Verfahren und die Vorrichtung nicht nur bei der Herstellung von Photovoltaik-Modulen oder Verbundgläsern, sondern auch auf anderen Anwendungsgebieten der thermischen Lamination einsetzen. Besonders vorteilhaft sind das Verfahren und die Vorrichtung jedoch in der Vakuum-Laminierung, Rollen-Laminierung oder Autoklavierung von Photovoltaik-Modulen und Verbundgläsern, da es bei diesen Anwendungen besonders auf eine hohe Qualität der Verkapselung bzw. Laminierung ankommt.
• Das Verfahren erfordert lediglich den Kontakt von geeigneten Elektrodenpaaren mit der Laminierschicht während des Laminationsprozesses. Dies Elektrodenpaare werden hierfür an der jeweiligen Laminierschicht bzw. der dieser benachbarten Schicht beim Laminationsprozess fixiert bzw. angebracht. Über diese Elektroden wird dann das elektrische Wechselfeld für eine dielektrische Thermoanalyse angelegt und die resultierende Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung gemessen. Damit kann gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren die Technik der dielektrischen Thermoanalyse in einen industriellen Laminationsprozess integriert und die Steuerung der Temperaturführung bzw. Verarbeitungszeit an das dielektrische Signal gekoppelt werden.
• Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird ausgenutzt, dass beim Laminationsprozess als Laminiermaterial eingesetzte Polymere, je nach ihrem strukturellen Aufbau, polare Gruppen innerhalb der Molekülstruktur aufweisen. Diese werden bei Anlegen eines elektrischen Feldes in Feldrichtung orientiert und ändern somit die Kapazität zwischen den Elektroden des jeweiligen Elektrodenpaares. Wird ein elektrisches Wechselfeld angelegt, so findet eine ständige Umorientierung der polaren Gruppen im Polymer in Feldrichtung statt. Da dieser Umorientierungsprozess zeitabhängiger Natur ist, kann zwischen dem Strom und der Spannung eine Phasenverschiebung detektiert werden. Diese ist charakteristisch für die dielektrischen Verluste des untersuchten Materials. Durch den direkten Kontakt mit einem entsprechenden Elektrodenpaar, bei der dielektrischen Thermoanalyse auch als dielektrischer Sensor bezeichnet, können auf diese Art und Weise die dielektrischen Eigenschaften der Laminierschicht überwacht werden. Die Anordnung des Elektrodenpaars kann entweder als Plattenkondensator oder kammartig ausgeführt sein. Auf eine der Elektroden wird eine sinusförmige Spannung als Eingangssignal aufgebracht. Die zweite Elektrode wirkt als Empfänger des resultierenden Stroms. Während der Aushärtung eines reaktiven Polymersystems nehmen sowohl die Ionenmobilität (Ionenleitfähigkeit) als auch die Ausrichtung der Dipole im Wechselstromfeld ab. Die Änderung der dielektrischen Eigenschaften, d. h. der Dielektrizitätszahl (Permittivität) und des Verlustfaktors, werden in kommerziell verfügbaren DETA-Geräten anschließend aus dem Messsignal berechnet. Hierbei wird in der Regel die so genannte Ionenviskosität dargestellt, die dem reziproken Wert der Ionenleitfähigkeit entspricht.
• Die Steuerung der Aufheizzeit und/oder Haltezeit erfolgt in einer Ausgestaltung des vorgeschlagenen Verfahrens über einen Schwellwert für eine überwachte dielektrische Eigenschaft, insbesondere die Ionenviskosität oder Ionenleitfähigkeit. Wird dieser Schwellwert während der Aufheizphase erreicht, so wird die Aufheizphase beendet. In gleicher Weise kann ein Schwellwert für die Haltephase festgelegt werden, nach dessen Erreichen die Haltephase beendet wird. Der jeweilige Schwellwert wird hierbei so gewählt, dass im Falle der Aufheizphase ein ausreichendes Erweichen bzw. Aufschmelzen des Laminiermaterials, im Falle der Haltephase eine ausreichende Vernetzung des Materials erreicht wird. Bei schwankenden Eigenschaften des eingesetzten Laminiermaterials ändern sich die Aufheiz- bzw. Haltezeiten, da der jeweils gewählte Schwellwert unabhängig von den Eigenschaften des Materials dem Zeitpunkt entspricht, zu dem eine bestimmte Viskosität bzw. Härte des Laminiermaterials erreicht ist. Auf diese Weise wird erreicht, dass das Laminiermaterial jeweils in gleichem Maße erweicht bzw. aufgeschmolzen oder vernetzt ist, bevor die jeweilige Phase beendet wird.
• Anstelle von Schwellwerten für den Wert einer dielektrischen Eigenschaft kann auch ein Schwellwert für eine Änderungsrate der überwachten dielektrischen Eigenschaft festgelegt werden. Ein Erreichen oder Unterschreiten des Schwellwertes bedeutet, dass die Änderungsrate der überwachten dielektrischen Eigenschaft geringer wird und gegen Null strebt, wie dies beim vollständigen Aufschmelzen oder Erhärten des Laminiermaterials der Fall ist.
• Die vorgeschlagene Vorrichtung zur Steuerung der Temperaturführung bei einem thermischen Laminationsprozess umfasst dementsprechend mindestens ein Elektrodenpaar, das an einer zu überwachenden Laminierschicht oder einer dieser benachbarten Schicht angebracht werden kann, eine Einrichtung zum Erzeugen und Anlegen einer Wechselspannung an das Elektrodenpaar, einer Messeinrichtung zur Messung einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung sowie einer Auswerteeinrichtung, die eine dielektrische Eigenschaft aus der gemessenen Phasenverschiebung bestimmt. Die vorgenannten Einrichtungen können durch ein kommerziell erhältliches Gerät zur dielektrischen Thermoanalyse realisiert sein. Die Vorrichtung umfasst weiterhin eine Schnittstelle zur Eingabe mindestens eines Schwellwerts für die gemessene dielektrische Eigenschaft oder für eine Änderungsrate dieser dielektrischen Eigenschaft, ein Vergleichsmodul, das den Schwellwert mit der jeweils gemessenen dielektrischen Eigenschaft oder deren Änderungsrate vergleicht, und ein Signalmodul, das ein Trigger- oder Steuersignal an einem Ausgang bereitstellt, sobald eine Vergleichsbedingung erfüllt ist, insbesondere sobald der Schwellwert der dielektrischen Eigenschaft erreicht oder der Schwellwert für die Änderungsrate der dielektrischen Eigenschaft erreicht oder unterschritten ist.
• Die vorgeschlagene Vorrichtung wird mit der Temperatursteuerung des eingesetzten Laminators oder Autoklaven so verbunden, dass gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren die Aufheizphase und/oder die Haltephase nach Erhalt des entsprechenden Steuerungs- oder Triggersignals beendet wird.
• Kurze Beschreibung der Zeichnungen
• Das vorgeschlagene Verfahren und die zugehörige Vorrichtung werden nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
• 1 ein Beispiel für die Verkapselung von Solarzellen in einem Vakuum-Laminationsprozess;
• 2 schematisch ein Beispiel für den Aufbau eines Vakuum-Laminators;
• 3 ein Beispiel für den Druck- und Temperaturverlauf während eines Vakuum-Laminationsprozesses;
• 4 ein Beispiel für die Änderung der Ionenviskosität bei der Vernetzung eines EVA-Materials;
• 5 eine schematische Darstellung beim Einsatz des vorgeschlagenen Verfahrens in einem Vakuum-Laminationsprozess;
• 6 eine schematische Darstellung eines weiteren Beispiels beim Einsatz des vorgeschlagenen Verfahrens in einem Vakuum-Laminationsprozess; und
• 7 zwei Beispiele für die Anordnung von Elektrodenpaaren an der Laminierschicht.
• Wege zur Ausführung der Erfindung
• Im Folgenden werden das vorgeschlagene Verfahren und die vorgeschlagene Vorrichtung nochmals beispielhaft bei der Anwendung in einem Vakuum-Laminationsprozess zur Herstellung von Solarmodulen erläutert.
• 1 zeigt ein Beispiel für den Verkapselungsprozess zur Herstellung eines Solarmoduls. Das Solarmodul wird hierbei aus mehreren Solarzellen 1 zusammengesetzt, die über Laminierfolien 2 mit Deckschichten 3 verbunden werden. Diese Deckschichten können beispielsweise Glasplatten oder auch Kunststofffolien sein. Nach dem Stapeln dieser Schichten wird das noch nicht verbundene Laminat in einen Vakuum-Laminator auf eine heizbare plane Unterlage gelegt.
• 2 zeigt beispielhaft einen derartigen Vakuum-Laminator 9 mit der heizbaren Unterlage 4, auf die das Laminat 5 aufgelegt wird. Im Deckel des Laminators befindet sich eine flexible Membran 6, die auf dem Laminat 5 aufliegt. Durch die Membran 6 wird der Laminatorraum in zwei evakuierbare Einzelräume unterteilt. Zu Beginn des Prozesses werden beide Räume auf einen Druck von < 1 hPa evakuiert und gleichzeitig das Laminat 5 aufgeheizt. Die Evakuierung erfolgt über die schematisch dargestellte Vakuum-Pumpe 7. Nach Erreichen einer festgelegten Temperatur, in der vorliegenden Patentanmeldung auch als Laminiertemperatur bezeichnet, wird der Raum oberhalb der Membran 6 belüftet. Jetzt übt die Membran 6 Druck auf das Laminat 5 aus, so dass die einzelnen Schichten des Laminats gegeneinander gedrückt werden. Die Temperatur wird für eine bestimmte Zeit gehalten, während der das Material der Laminierfolien 2 vernetzt oder aufschmilzt und damit eine feste Verbindung zwischen den Solarzellen 1 und den Deckschichten 3 herstellt.
• Nach der Vernetzung oder dem Aufschmelzen wird das Laminat abgekühlt und der Druck in der unteren Kammer wieder erhöht, so dass die Membran 6 vom Laminat abhebt. Das fertige Solarmodul kann dann aus dem Laminator entnommen werden. Die einzelnen Temperatur- und Druckphasen bei diesem Prozess sind in 3 schematisch dargestellt, wobei T_A der Anfangstemperatur, T_H der Haltetemperatur (Laminiertemperatur), T_E der Endtemperatur, t₁ der Heizzeit, t₂ der Haltezeit und t₃ der Abkühlzeit entsprechen.
• Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird nun in situ während der Aufheizphase und der Haltephase die Ionenviskosität der Laminierschichten erfasst. 4 zeigt hierzu ein Beispiel für die gemessene Ionenviskosität bei dem Einsatz einer EVA-Folie (EVA-Ethylen-Vinylacetat). Aus dieser Messung ist ersichtlich, dass in der Aufheizphase bei Temperaturerhöhung bis auf 150°C zunächst die Ionenviskosität des Materials mit dem Schmelzen absinkt, da die rheologische Viskosität während dieses Prozesses sinkt. In der anschließenden Haltephase bei dieser Temperatur steigt infolge der fortschreitenden Vernetzung des EVA unter Temperatureinfluss die rheologische Viskosität und somit die Ionenviskosität als Maß der molekularen Mobilität an und strebt nach einer Haltezeit von etwa 40 Minuten einem konstanten Wert zu. Dies zeigt an, dass der Vernetzungsprozess abgeschlossen ist.
• Dieser Zusammenhang wird bei dem vorgeschlagenen Verfahren genutzt, um die Aufheizzeit und die Haltezeit beim Laminationsprozess zu steuern. Grundsätzlich erweichen oder schmelzen Polymere, die als Laminier- bzw. Verkapselungsmaterial in Photovoltaik-Modulen eingesetzt werden, unter Wärmeeinwirkung im Vakuum-Laminationsprozess auf und vernetzen gegebenenfalls. Wird während dieses Vorgangs in situ das dielektrische Verhalten des entsprechenden vernetzenden Materials gemessen – wie beim vorgeschlagenen Verfahren – so ändert sich der Phasenwinkel zwischen gemessenem Strom und Spannung kontinuierlich. Ist der Vernetzungsprozess abgeschlossen bzw. strebt die gemessene Ionenviskosiät einem konstanten Wert oder Grenzwert zu, kann der Wärmebehandlungsprozess (Laminierung) beendet und somit verarbeitungsoptimal gesteuert werden. Dies gilt in analoger Weise für Polymere, die lediglich erweichen oder schmelzen, nicht jedoch vernetzen. Hier kann das vollständige Aufschmelzen ebenfalls über die Ionenviskosität oder deren Änderung detektiert werden.
• Ein Laminationsprozess wird im Wesentlichen durch die Heizrate, die Haltetemperatur bzw. Laminiertemperatur und die Haltezeit bestimmt. Diese Parameter sind maßgeblich für die Geschwindigkeit und Vollständigkeit des Erweichens, Aufschmelzens oder Vernetzens des Verkapselungsmaterials. Beim vorgeschlagenen Verfahren werden zunächst die Elektrodenpaare auf dem Laminat, beispielsweise auf der zur Laminierschicht gerichteten Seite der Rückseitenfolie des Photovoltaik-Moduls, fixiert, bevor das Laminat auf die Heizplatte des Vakuum-Laminators aufgebracht und anschließend aufgeheizt wird. 5 zeigt hierzu eine schematische Darstellung der Verhältnisse, bei der das Solarmodul 8 im Laminator schematisch angedeutet ist. Hier sind nur die Modul-Vorderseite 10, das Verkapselungsmaterial 11 sowie die Modul-Rückseite 12 angedeutet, wobei jeweils beidseitig des Verkapselungsmaterials 11 die Elektroden 13 angebracht sind. Diese Elektroden sind mit der vorgeschlagenen Vorrichtung zur Steuerung der Temperaturfuhrung 14 verbunden, die während des Laminationsprozesses eine dielektrische Thermoanalyse durchführt. Die Prozesssteuerung 15 für den Laminator ist 5 ebenfalls angedeutet.
• Bei rein thermoplastisch verarbeitbaren Verkapselungsmaterialien wird hierbei mittels der dielektrischen Thermoanalyse der Zeitpunkt detektiert, an welchem das Material eine vorab festgelegte Grenz-Ionenviskosität oder zeitliche Änderung dieses Kennwertes erreicht. Je nach Art des Materials kann nun ein Signal an die Steuerung 15 des Vakuum-Laminators zum Abbruch des Prozesses, beispielsweise Entnahme des Moduls oder Abkühlen, oder zum Sprung auf eine nächste Prozessstufe gesendet werden, beispielsweise Halten, stufenförmiges Abkühlen, usw.. Bei vernetzenden Materialsystemen schließt sich nach dem Aufheizen eine isotherme Haltephase an, wobei der Grad und die Qualität der Vernetzung temperatur- und zeitabhängig sind. Unter isothermen Bedingungen nimmt der Grad der Vernetzung und somit die Ionenviskosität zu. Hier kann analog zur dielektrischen Analyse thermoplastischer Verkapselungsmaterialien ebenfalls ein Grenzwert der Ionenviskosität gesetzt und bei Erreichen dieses Grenzwertes ein Triggersignal an die Prozesssteuerung 15 des Vakuum-Laminators gesendet werden. Dies ist in dem Beispiel der 6 mit dem Triggersignal 16 schematisch angedeutet. Diese Figur zeigt auch den Grenzwert 17 gegen den die Ionenviskosität bei der Vernetzung strebt. In einem letzten Schritt kann nach Senden des Triggersignals entweder ein weiterer Prozessschritt gestartet oder das Modul aus dem Laminator entnommen und/oder abgekühlt werden.
• Handelsübliche Elektroden für die Nutzung beim vorgeschlagenen Verfahren können aus steifen, dünnen Metallplatten oder flexiblen Membranen bestehen. Die Ausführung als flexible Membran bietet die Möglichkeit, diese direkt auf einer Polymerfolie oder dem unverarbeiteten Laminat zu fixieren, ohne eine Beschädigung des Photovoltaik-Moduls durch die Elektroden unter Druck zu riskieren. Kommerziell sind hierbei verschiedene Sensoren für hohe Temperaturen (bis zu 400°C) oder hohe Drücke bis zu 35 MPa verfügbar. Diese Sensoren bestehen meist aus zwei ineinander greifenden Kammelektroden auf einem inerten Substrat. Durch das in die Probe eindringende elektrische Feld sind sie zur lokalen Messung der dielektrischen Eigenschaften von Probenbereichen und -schichten geeignet (Fringe-Field), die in direktem Kontakt zu dem Sensor stehen. Daneben sind selbstverständlich auch Sensoren mit paralleler Plattenanordnung erhältlich, mit denen man die Eigenschaften voluminöser Proben messen kann. 7 zeigt hierzu in der oberen Teilabbildung ein Beispiel für Sensoren, die aus zwei beidseitig der Laminierfolie 2 angeordneten Elektroden 13 gebildet sind. Die untere Teilabbildung zeigt einen so genannten Fringe-Field-Sensor, bei dem die Elektroden 13 nebeneinander auf einer Seite der Laminierfolie 2 angeordnet sind. Die Elektroden 13 können beispielsweise mit einem Kleber bzw. über eine Klebeschicht an der Laminierfolie fixiert werden. Es ist auch möglich, die Elektroden 13 von außen an das Solarmodul bzw. Laminat anzulegen, beispielsweise in der heizbaren Unterlage oder auf der Membran des Laminators zu fixieren.
• Bezugszeichenliste

1

Solarzelle

2

Laminierfolie

3

Deckschicht

4

heizbare Unterlage

5

Laminat

6

flexible Membran

7

Vakuum-Pumpe

8

Solarmodul

9

Laminator

10

Modul-Vorderseite

11

Verkapselungsmaterial

12

Modul-Rückseite

13

Elektroden

14

Vorrichtung für Steuerung der Temperaturführung

15

Prozesssteuerung für Laminator

16

Triggersignal

17

Grenzwert

Claims (8)

1. Verfahren zur Steuerung der Temperaturführung bei einem thermischen Laminationsprozess, insbesondere bei der Herstellung von Photovoltaikmodulen oder Verbundgläsern, bei dem eine oder mehrere Laminierschichten (2) in einer Aufheizphase auf eine Laminiertemperatur aufgeheizt und gegebenenfalls in einer anschließenden Haltephase für einen Haltezeitraum auf der Laminiertemperatur gehalten werden, dadurch gekennzeichnet, dass eine dielektrische Eigenschaft des einen oder der mehreren Laminierschichten (2) während der Aufheiz- und/oder Haltephase mit der Technik der dielektrischen Thermoanalyse überwacht und die Aufheiz- und/oder Haltephase in Abhängigkeit von der überwachten dielektrischen Eigenschaft beendet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizphase bei Erreichen eines Schwellwertes für die überwachte dielektrische Eigenschaft, insbesondere die Ionenviskosität oder Ionenleitfähigkeit, beendet wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufheizphase bei Erreichen eines Schwellwertes für eine Änderungsrate der überwachten dielektrischen Eigenschaft beendet wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltephase bei Erreichen eines Schwellwertes für die überwachte dielektrische Eigenschaft, insbesondere die Ionenviskositat oder Ionenleitfähigkeit, beendet wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltephase bei Erreichen eines Schwellwertes für eine Änderungsrate der überwachten dielektrischen Eigenschaft beendet wird.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass für die Überwachung der dielektrischen Eigenschaft mit der Technik der dielektrischen Thermoanalyse Elektrodenpaare (13) mit den Laminationsschichten (2) in Kontakt gebracht werden.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beendigung der Aufheiz- und/oder Haltephase in Abhängigkeit von der überwachten dielektrischen Eigenschaft automatisch ein Steuer- oder Triggersignal erzeugt und an eine Temperatursteuerung eines für die Durchführung der Lamination eingesetzten Laminators oder Autoklaven gesendet wird.
8. Vorrichtung zur Steuerung der Temperaturführung bei einem thermischen Laminationsprozess nach einem der Ansprüche 1 bis 7, zumindest umfassend – ein Elektrodenpaar (13), das an einer zu überwachenden Laminierschicht (2) oder einer dieser unmittelbar benachbarten Schicht angebracht werden kann, – eine Mess- und Auswerteeinrichtung, die eine Wechselspannung an das Elektrodenpaar (13) anlegt und aus einer Phasenverschiebung zwischen Strom und Spannung eine dielektrische Eigenschaft der zu überwachenden Laminierschicht (2) bestimmt, – eine Schnittstelle, über die mindestens ein Schwellwert für die gemessene dielektrische Eigenschaft oder für eine Änderungsrate dieser dielektrischen Eigenschaft eingebbar ist, – ein Vergleichsmodul, das den Schwellwert mit der jeweils gemessenen dielektrischen Eigenschaft oder deren Änderungsrate vergleicht, und – ein Signalmodul, das ein Trigger- oder Steuersignal an einem Ausgang bereitstellt, sobald eine Vergleichsbedingung erfüllt ist.

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