DE102010028180A1 - Fluoreszenzkonversionssolarzelle - Herstellung im Extrusionslaminationsverfahren oder im Kleberlaminationsverfahren - Google Patents

Fluoreszenzkonversionssolarzelle - Herstellung im Extrusionslaminationsverfahren oder im Kleberlaminationsverfahren Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Kombination aus Fluoreszenzkonversionsfarbstoffen in einer Folie beschichtet auf Kunststoffformkörpern aus Polymethyl(meth)acrylat, die dazu eingesetzt werden, die natürliche Sonneneinstrahlung in für die Solarzellen nutzbares Licht umzuwandeln.

Description

  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Kombination aus Fluoreszenzkonversionsfarbstoffen in Kunststoffformkörpern aus Polymethyl(meth)acrylat, die dazu eingesetzt werden, die natürliche Sonneneinstrahlung in für die Solarzellen nutzbares Licht umzuwandeln. Die Kunststoffformkörper werden durch Extrusion aus Kunststoffformmassen hergestellt.
  • Stand der Technik
  • Photovoltaikzellen können das eingestrahlte Sonnenlicht nur zum Teil in nutzbare elektrische Energie umwandeln, ein großer Teil der Energie geht in Form von Wärme verloren. So kann beispielsweise eine Silizium-Solarzelle alle Photonen absorbieren, die eine Energie oberhalb der Bandkante von 1,1 eV des kristallinen Siliziums aufweise. Dies entspricht einer Wellenlänge < 1.100 nm. Die überschüssige Energie der absorbierten Photonen wird in Wärme umgewandelt und führt zu einer Aufheizung der Photozelle, der Wirkungsgrad der Photozelle wird erniedrigt.
  • Der Aufbau und die Wirkung von Fluoreszenzkonversionssolarzellen ist als der US 4,110,123 (Fraunhofer) oder aus Appl. Phys. 14, 123 ff (1977) bekannt.
  • WO 2007/031446 (BASF AG) beschreibt Fluoreszenzkonversionssolarzellen, aufgebaut aus einer oder mehreren Glasplatten oder Polymerplatten, die mit einem Fluoreszenzfarbstoff beschichtet sind. Als Fluoreszenzfarbstoff werden Farbstoffe auf der Basis von Terrylencarbonsäurederivaten oder Kombinationen dieser Farbstoffe mit anderen Fluoreszenzfarbstoffen verwendet. Nachteilig ist hier der gesondert erforderliche Schritt der Beschichtung der Glasplatten mit der Formulierung, die den Farbstoff enthält.
  • Konzentrator-Systeme mit Linsen oder Spiegeln
  • Optische Systeme basierend auf Linsen oder Spiegeln zur Konzentration des Lichts auf die Solarzellen sind bekannt, es werden Konzentrationsfaktoren von bis zu 1.000-fach erreicht. Nachteilig bei den optischen Lösungen ist allerdings, daß das gesamte elektromagnetische Spektrum des Lichts konzentriert wird, so daß nicht nur das wirksame Licht konzentriert wird, sondern auch das das photovoltaisch unwirksame Licht. Dies führt zu einer unerwünschten thermischen Belastung der Solarzellen und zu einer Verringerung des Wirkungsgrads. Um die Temperaturen nicht zu hoch werden zu lassen, kann man die Solarzellen aktiv oder passiv kühlen. Darüber hinaus müssen die Linsen oder die Linsensysteme aufwendig mechanisch dem Sonnenstand nachgeführt werden, ferner können sie nur das direkt auftreffende Licht abbilden. Diffuses Licht trägt wenig oder gar nicht zur Energiegewinnung bei. (siehe US-PS 5,489,297 )
  • Aufgabe
  • Es bestand angesichts des oben diskutierten Standes der Technik die Aufgabe, Konzentrationswege für die optische Strahlung der Sonne zu entwickeln, die in der Lage sind,
    • • diffuses Licht zu nutzen und daher ohne aufwendige Nachführmechanik auskommen,
    • • ein auf das Absorptionsspektrum der verwendeten Solarzelle (beispielsweise Si oder GaAs) abgestimmtes Licht zu liefern,
    • • einen den optischen Konzentratoren vergleichbaren Konzentrationsgrad zu erzielen,
    • • einfach und preiswert hergestellt zu werden,
    • • die Wärmebelastung der Solarzellen und den damit verbundenen Wirkungsgradverlust zu verringern,
    • • die aktive Solarzellenfläche zu verringern,
    • • beständig gegen Witterungseinflüsse zu sein und im Laufe des Betriebs die optischen Eigenschaften praktisch nicht verändern,
  • Lösung
  • Die Lösung der oben aufgeführten Aufgabe gelingt durch eine Verwendung verschiedener Fluoreszenzkonversionsfarbstoffe in Kunststoffformkörpern, deren Spektren so aufeinander abgestimmt sind, daß das eingestrahlte Licht gezielt mit solchen Wellenlängen abgestrahlt wird, die auf die jeweilige Solarzelle abgestimmt sind.
  • Die Farbstoffe können beispielsweise in Pulverform, über ein Masterbatch, über eine Farbpräparation oder in Form einer Flüssigdosierung dem Kunststoff zugegeben werden. Bevorzugt ist die Einarbeitung der Farbstoffe oder der Farbstoffgemische in einen Masterbatch, das anschließend mit einer Formmasse gemischt und zu einem Kunststoffformkörper extrudiert oder coextrudiert wird.
  • Der Kunststoffformkörper kann ein- oder mehrschichtig aufgebaut sein und Schichten umfassen, die keine, gleiche oder unterschiedliche Farbstoffe oder Farbstoffgemische enthalten. Die einzelnen Schichten können z. B. durch Coextrusion oder Lamination miteinander fest verbunden sein.
  • Die Schichtung kann aber auch durch loses aufeinanderstapeln der einzelnen Kunststoffformkörper erfolgen.
  • Die erfindungsgemäße Lösung bietet folgende Vorteile:
    • – Das eingestrahlte Sonnenlicht wird in für Silizium-Photovoltaikzellen optimale Wellenlängen umgewandelt,
    • – Die Herstellung der Fluoreszenzkonversionssolarzellen kann nach bekannten Verfahren erfolgen,
    • – Die Solarzellen werden vor Vandalismus geschützt,
    • – die Konversionsraten sind überraschend hoch,
    • – der Kunststoffformkörper ist einfach an die geometrischen und statischen Erfordernisse der Solarzelle anpassbar,
    • – der Kunststoffformkörper ist leichter als eine vergleichbare Anordnung aus Mineralglas,
    • – der Kunststoffformkörper kann schlagzäh ausgerüstet sein, so daß die Solarzellenanordnung gegen Hagel geschützt ist.
  • Die Herstellung des Kunststoffformkörpers
  • Die Monomere
  • Die (Meth)acrylate
  • Eine besonders bevorzugte Gruppe von Monomeren stellen (Meth)acrylate das. Der Ausdruck (Meth)acrylate umfaßt Methacrylate und Acrylate sowie Mischungen aus beiden.
  • Diese Monomere sind weithin bekannt. Zu diesen gehören unter anderem (Meth)acrylate, die sich von gesättigten Alkoholen ableiten, wie beispielsweise Methyl(meth)acrylat, Ethyl(meth)acrylat, Propyl(meth)acrylat, Isopropyl(meth)acrylat, n-Butyl(meth)acrylat, tert.-Butyl(meth)acrylat, Butoxymethyl(meth)acrylat, Pentyl(meth)acrylat, Hexyl(meth)acrylat, Heptyl(meth)acrylat, Octyl(meth)acrylat, Isooctyl(meth)acrylat, Isodecyl(meth)acrylat, Tetrahydrofurfuryl(meth)acrylat, Cyclohexyl(meth)acrylat und 2-Ethylhexyl(meth)acrylat; (Meth)acrylate, die sich von ungesättigten Alkoholen ableiten, wie beispielsweise Oleyl(meth)acrylat, 2-Propinyl(meth)acrylat, Allyl(meth)acrylat, Vinyl(meth)acrylat; Aryl(meth)acrylate, wie beispielsweise Benzyl(meth)acrylat oder Phenyl(meth)acrylat, wobei die Arylreste jeweils unsubstituiert oder bis zu vierfach substituiert sein können; Cycloalkyl(meth)acrylate, wie beispielsweise 3-Vinylcyclohexyl(meth)acrylat, Bornyl(meth)acrylat; Isobornyl(meth)acrylat, Hydroxylalkyl(meth)acrylate, wie beispielsweise 3-Hydroxypropyl(meth)acrylat, 3,4-Dihydroxybutyl(meth)acrylat, 2-Hydroxyethyl(meth)acrylat, 2-Hydroxypropyl(meth)acrylat; Glycoldi(meth)acrylate, wie beispielsweise 1,4-Butandiol(meth)acrylat, (Meth)acrylate von Etheralkoholen, wie beispielsweise Tetrahydrofurfuryl(meth)acrylat, Vinyloxyethoxyethyl(meth)acrylat; Amide und Nitrile der (Meth)acrylsäure, wie beispielsweise N-(3-Dimethylaminopropyl)(meth)acrylamid, N-(Diethylphosphono)(meth)acrylamid, 1-Methacryloylamido-2-methyl-2-propanol; schwefelhaltige Methacrylate, wie beispielsweise Ethylsulfinylethyl(meth)acrylat, 4-Thiocyanatobutyl(meth)acrylat, Ethylsulfonylethyl(meth)acrylat, Thiocyanatomethyl(meth)acrylat, Methylsulfinylmethyl(meth)acrylat, Bis((meth)acryloyloxyethyl)sulfid; mehrwertige (Meth)acrylate, wie beispielsweise Trimethyloylpropantri(meth)acrylat.
  • Diese Monomere können einzeln oder als Mischung verwendet werden. Hierbei sind Mischungen besonders bevorzugt, die Methacrylate und Acrylsäureester enthalten.
  • Die Radikalbildner
  • Die Polymerisation wird im Allgemeinen mit bekannten Radikalinitiatoren gestartet. Zu den bevorzugten Initiatoren gehören unter anderem die in der Fachwelt weithin bekannten Azoinitiatoren, wie AIBN und 1,1-Azobiscyclohexancarbonitril, sowie Peroxyverbindungen, wie Methylethylketonperoxid, Acetylacetonperoxid, Dilaurylperoxyd, tert.-Butylper-2-ethylhexanoat, Ketonperoxid, Methylisobutylketonperoxid, Cyclohexanonperoxid, Dibenzoylperoxid, tert.-Butylperoxybenzoat, tert.-Butylperoxyisopropylcarbonat, 2,5-Bis(2-ethylhexanoyl-peroxy)-2,5-dimethylhexan, tert.-Butylperoxy-2-ethylhexanoat, tert.-Butylperoxy-3,5,5-trimethylhexanoat, Dicumylperoxid, 1,1-Bis(tert.-butylperoxy)cyclohexan, 1,1-Bis(tert.-butylperoxy)3,3,5-trimethylcyclohexan, Cumylhydroperoxid, tert.-Butylhydroperoxid, Bis(4-tert.-butylcyclohexyl)peroxydicarbonat, Mischungen von zwei oder mehr der vorgenannten Verbindungen miteinander sowie Mischungen der vorgenannten Verbindungen mit nicht genannten Verbindungen, die ebenfalls Radikale bilden können.
  • Diese Verbindungen werden häufig in einer Menge von 0,01 bis 1,0 Gew.-%, vorzugsweise von 0,025 bis 0,3 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Monomeren, eingesetzt.
  • Die Schlagzähmodifier
  • Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung kann die Formmasse gegebenenfalls durch einen Schlagzähmodifier mechanisch stabiler ausgerüstet werden. Derartige Schlagzähmodifizierungsmittel für Polymethacrylat-Kunststoffe sind hinlänglich bekannt, so sind die Herstellung und der Aufbau von schlagzähmodifizierten Polymethacrylat-Formmassen unter anderem in EP-A 0 113 924 , EP-A 0 522 351 , EP-A 0 465 049 und EP-A 0 683 028 beschrieben.
  • Bevorzugte schlagzähe Formmassen weisen 70 Gew.-%–99 Gew.-% Polymethyl(meth)acrylate auf. Diese Polymethyl(meth)acrylate wurden zuvor beschrieben.
  • Gemäß einem besonderen Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die zur Herstellung von schlagzähmodifizierten Formmassen verwendeten Polymethyl(meth)acrylate durch radikalische Polymerisation von Mischungen erhalten, die 80 Gew.-% bis 100 Gew.-%, vorzugsweise 90 Gew.-%–98 Gew.-%, Methylmethacrylat und gegebenenfalls 0 Gew.-%–20 Gew.-%, bevorzugt 2 Gew.-%–10 Gew.-% weitere radikalisch polymerisierbare Comonomere umfassen, die ebenfalls zuvor aufgeführt wurden. Besonders bevorzugte Comonomere sind unter anderem C1- bis C4-Alkyl(meth)acrylate, insbesondere Methylacrylat, Ethylacrylat oder Butylmethacrylat.
  • Vorzugsweise liegt das mittlere Molekulargewicht Mw der Polymethyl(meth)acrylate zur Herstellung besonders schlagzäher Formmassen im Bereich von 90.000 g/mol bis 200.000 g/mol, insbesondere 100.000 g/mol bis 150.000 g/mol.
  • Bevorzugte schlagzähe Formmassen enthalten 1 Gew.-% bis 60 Gew.-%, bevorzugt 2 Gew.-% bis 50 Gew.-%, besonders bevorzugt 3 Gew.-% bis 45 Gew.-%, insbesondere 5 Gew.-% bis 42 Gew.-% eines Schlagzähmodifizierungsmittels, welches eine Elastomerphase aus vernetzten Polymerisatteilchen darstellt.
  • Das Schlagzähmodifizierungsmittel kann in an sich bekannter Weise durch Perlpolymerisation oder durch Emulsionspolymerisation erhalten werden.
  • Bevorzugte Schlagzähmodifizierungsmittel stellen vernetzte Teilchen mit einer mittleren Teilchengröße im Bereich von 50 bis 1000 nm, bevorzugt 60 bis 500 nm und besonders bevorzugt 80 bis 450 nm dar.
  • Derartige Partikel können beispielsweise durch die radikalische Polymerisation von Mischungen erhalten werden, die in der Regel mindestens 40 Gew.-%, bevorzugt 50 Gew.-% bis 70 Gew.-% Methylmethacrylat, 20 Gew.-% bis 50 Gew.-%, bevorzugt 25 Gew.-% bis 45 Gew.-% Butylacrylat sowie 0,1 Gew.-% bis 2 Gew.-%, bevorzugt 0,5 Gew.-% bis 1 Gew.-% eines vernetzenden Monomeren, z. B. einem mehrfunktionellen (Meth)acrylat, wie z. B. Allylmethacrylat und Comonomeren enthalten, die mit den zuvor genannten Vinylverbindungen copolymerisiert werden können.
  • Zu den bevorzugten Comonomeren gehören unter anderem C1-C4-Alkyl(meth)acrylate, wie Ethylacrylat oder Butylmethacrylat, bevorzugt Methylacrylat, oder andere vinylisch polymerisierbare Monomere wie z. B. Styrol. Die Mischungen zur Herstellung der zuvor genannten Partikel können vorzugsweise 0 Gew.-% bis 30 Gew.-%, bevorzugt 0,5 Gew.-% bis 15 Gew.-% Comonomere umfassen.
  • Besonders bevorzugte Schlagzähmodifizierungsmittel sind Polymerisatteilchen, die einen zwei-, besonders bevorzugt einen dreischichtigen Kern-Schale-Aufbau aufweisen. Derartige Kern-Schale-Polymerisate sind unter anderem in EP-A 0 113 924 , EP-A 0 522 351 , EP-A 0 465 049 und EP-A 0 683 028 beschrieben.
  • Besonders bevorzugte Schlagzäh-Modifier auf Basis von Acrylatkautschuk haben unter anderem folgenden Aufbau:
    Kern: Polymerisat mit einem Methylmethacrylatanteil von mindestens 90 Gew.-%, bezogen auf, das Gewicht des Kerns.
    Schale 1: Polymerisat mit einem Butylacrylatanteil von mindestens 80 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der ersten Schale.
    Schale 2: Polymerisat mit einem Methylmethacrylatanteil von mindestens 90 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der zweiten Schale.
  • Der Kern sowie die Schalen können neben den genannten Monomeren jeweils weitere Monomere enthalten.
  • Beispielsweise kann ein bevorzugter Acrylatkautschuk-Modifier folgenden Aufbau aufweisen:
    Kern: Copolymerisat aus Methylmethacrylat (95,7 Gew.-%), Ethylacrylat (4 Gew.-%) und Allylmethacrylat (0,3 Gew.-%)
    S1: Copolymerisat aus Butylacrylat (81,2 Gew.-%), Styrol (17,5 Gew.-%) und Allylmethacrylat (1,3 Gew.-%)
    S2: Copolymerisat aus Methylmethacrylat (96 Gew.-%) und, Ethylacrylat (4 Gew.-%)
  • Das Verhältnis von Kern zu Schale(n) der Acrylatkautschuk-Modifier kann in weiten Bereichen schwanken. Vorzugsweise liegt das Gewichtsverhältnis Kern zu Schale K/S im Bereich von 20:80 bis 80:20, bevorzugt von 30:70 zu 70:30 bis Modifiern mit einer Schale bzw. das Verhältnis von Kern zu Schale 1 zu Schale 2 K/S1/S2 im Bereich von 10:80:10 bis 40:20:40, besonders bevorzugt von 20:60:20 bis 30:40:30 bei Modifiern mit zwei Schalen.
  • Die Partikelgröße der Kern-Schale-Modifier liegt üblich im Bereich von 50 bis 1.000 nm, vorzugsweise 100 bis 500 nm und besonders bevorzugt von 150 bis 450 nm, ohne dass hierdurch eine Beschränkung erfolgen soll.
  • Derartige Schlagzähmodifier sind von der Fa. Mitsubishi unter dem Handelsnamen METABLEN® IR 441 kommerziell erhältlich. Darüber hinaus können auch schlagzähmodifizierte Formmassen erhalten werden. Hierzu gehört unter anderem ACRYLITE PLUS® vom Hersteller CYRO Industries.
  • Der Kunststoffformkörper kann auch aus Polycarbonat (PC), Polystyrol (PS), Polyamid (PA), Polyester (PE), thermoplastischem Polyurethan (PU), Polyethersulfon, Polysulfonen, Vinylpolymeren, wie beispielsweise Polyvinylchlorid (PVC), aufgebaut sein.
  • Lichtschutzmittel
  • Als Lichtschutzmittel werden UV-A und/oder UV-B-Absorber eingesetzt. Als Beispiele für Stoffklassen, die eingesetzt werden können, seien die HALS-Verbindungen genannt. Unter HALS-Verbindungen werden sterisch gehinderte Amine verstanden, wie sie beispielsweise in der JP 0347856 beschrieben sind. Diese „hindered amine light stabilizers” fangen die Radikale ab, die sich bei Strahlenbelastung bilden. In den Handel werden diese Produkte durch Ciba unter der Marke TINUVIN® 123, TINUVIN® 571, TINUVIN® 770 und TINUVIN® 622 gebracht.
  • Ferner können Lichtschutzmittel auf der Basis von Benzophenon-Derivaten eingesetzt werden. In den Handel werden diese Produkte durch BASF unter der Marke UVINUL® 5411 gebracht.
  • Lichtschutzmittel auf der Basis von Benzotriazolen können ebenfalls verwendet werden. In den Handel werden diese Produkte durch Cytec unter der Marke CYASORB® UV 5411 oder von Ciba unter der Marke TINUVIN® P, Tinuvin® 571 und TINUVIN® 234 gebracht.
  • Oxidationsschutzmittel
  • Als Oxidationsschutzmittel können sterisch gehinderte Phenole oder Phosphite oder Phosphonite eingesetzt werden. In den Handel werden diese Produkte durch Ciba unter den Marken Irganox® und Irgafos® gebracht.
  • Des Weiteren kann die Formmasse weitere Polymere enthalten, um die Eigenschaften zu modifizieren. Hierzu gehören unter anderem Polyacrylnitrile, Polystyrole, Polyether, Polyester, Polycarbonate und Polyvinylchloride. Diese Polymere können einzeln oder als Mischung eingesetzt werden, wobei auch Copolymere, die von den zuvor genannten Polymeren ableitbar sind, eingesetzt werden können.
  • Das Gewichtsmittel des Molekulargewichts Mw der in der Formmasse zu verwendenden Homo- und/oder Copolymere kann in weiten Bereichen schwanken, wobei das Molekulargewicht üblicherweise auf den Anwendungszweck und die Verarbeitungsweise der Formmasse abgestimmt wird. Im Allgemeinen liegt es aber im Bereich zwischen 20.000, und 1.000.000 g/mol, vorzugsweise 50.000 bis 500.000 g/mol und besonders bevorzugt 80.000 bis 300.000 g/mol, ohne dass hierdurch eine Einschränkung erfolgen soll.
  • Die Formmassen zur Herstellung des Formteils können übliche Additive/Zusatzstoffe aller Art enthalten. Hierzu gehören unter anderem Farbstoffe, Antistatika, Antioxidantien, Entformungsmittel, Flammschutzmittel, Schmiermittel, Fliessverbesserungsmittel, Füllstoffe, Lichtstabilisatoren und organische Phosphorverbindungen, wie Phosphite oder Phosphonate, Pigmente, Verwitterungsschutzmittel und Weichmacher. Die Menge an Zusatzstoffen ist jedoch auf den Anwendungszweck beschränkt. So sollte die lichtleitende Eigenschaft der Formmasse sowie deren Transparenz nicht zu stark durch Additive beeinträchtigt werden.
  • Gemäß einer besonderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist die Formmasse mindestens 70, vorzugsweise mindestens 80 und besonders bevorzugt mindestens 90 Gew.-%, bezogen auf das Gewicht der Formmasse, Polymethyl(meth)acrylat auf.
  • Extrusion
  • Die erfindungsgemäße Folie kann in an sich bekannter Weise durch Extrusion oder Coextrusion hergestellt werden.
  • Dazu wird thermisch plastifizierte Schmelze bei der Einfachextrusion über einen bzw. bei der Coextrusion über mehrere Extruder erzeugt und in ein Extrusionswerkzeug eingespeist. Zwischen Extruder und Extrusionsdüse können in an sich bekannter Weise zusätzliche Vorrichtungen wie z. B. eine Schmelzepumpe und/oder ein Schmelzefilter angeordnet sein. Die extrudierten Bahnen können anschließend einem Glattwerk oder einer Kalibriereinrichtung zugeführt werden.
  • Je nach Kunststoff liegen die Verarbeitungstemperaturen in den meisten Fällen im Bereich von 150°C bis 320°C. Polymethylmethacrylat-Kunststoffe können z. B. im Bereich von 220°C bis 300°C verarbeitet werden.
  • Folien können beispielsweise eine Dicke im Bereich von 20 μm bis 1000 μm haben. Die Breiten der extrudierten Bahnen können z. B. von 100 mm bis 4.000 mm liegen.
  • Extrudierte oder coextrudierte Folien oder Platten können z. B. aus einem Polymethacrylat-Kunststoff (PMMA), einem schlagzäh modifizierten Polymethylmethacrylat-Kunststoff (sz-PMMA), einem Polycarbonat-Kunststoff, einem Polystyrol-Kunststoff, einem Styrol-Acryl-Nitril-Kunststoff, einem Polyethylentherephthalat-Kunststoff, einem glykolmodifizierten Polyethylentherephthalat-Kunststoff, einem Polyvinylchlorid-Kunststoff, einem transparenten Polyolefin-Kunststoff, einem Acrylnitril-Butadien-Stryrol(ABS)-Kunststoff oder aus Kombinationen oder Mischungen (Elends) der genannten Kunststoffe bestehen. Die PMMA-Typen weisen ein Molekulargewicht zwischen 20.000 und 500.000 g/mol, vorzugsweise von 70.000 bis 250.000 g/mol und besonders bevorzugt von 100.000 bis 200.000 g/mol auf, ohne dass hierdurch eine Einschränkung erfolgen soll.
  • Coextrusion
  • Im Falle der Coextrusion werden zwei oder mehrere Schmelzeströme vereinigt, wobei das Aufsetzen einer zusätzlichen Schmelzeschicht in der Regel mit Hilfe sogenannter Verteilerwerkzeuge reguliert wird. Dies kann beispielsweise über die sogenannte Adapter- oder Mehrkanalcoextrusionstechnologie umgesetzt werden. Adapter sind z. B. bekannt aus DE-OS 37 41 793 . Es handelt sich dabei um austauschbare ein- oder mehrteilige Schieber, deren Profil zuvor dem gewünschten Verteilungsprofil angepaßt wurde. Lamellenadapter sind z. B. bekannt aus EP 0 418 681 A2 . Hier kann das Extrusionsprofil in der Breite durch eine Vielzahl von Stellgliedern, sogenannte Lamellen beeinflußt werden. Die Regelung kann über einen Regelkreis erfolgen, der anhand am Extrusionsprodukt gemessener Schichtdicken und Auflagenbreiten, die Stellung, der Lamellen als auch den Durchsatz des Extruders regelt.
  • Die Anpassung der Verteilung mittels Verteilerwerkzeugs erfolgt durch auf der Oberseite des Extrusionswerkzeugs zugängliche Stellelemente, die Bestandteil des Verteilerwerkzeugs sind. Dabei kann es sich um z. B. um Bolzen, Dehnbolzen oder Piezotranslatoren handeln (s. z. B. EP 0 418 681 A2 ).
  • Im Düsenausgangsbereich kann der Extrudatquerschnitt zusätzlich mit Hilfe von Profilwerkzeugen, sogenannten Flexlippen oder Superflexlippen reguliert werden (s. z. B. EP-A 435 078 , EP-A 367 022 , EP-A 484 841 ).
  • Das Molekulargewicht der PMMA-Kunststoffformmassen kann z. B. nach der Gelchromatographie anhand von Polymethylmethacrylat-Eichstandards bzw. Eichgeraden, die mit der Viskositätszahl korrelieren, bestimmt werden.
  • Bevorzugte Kunststoffsubstrate können als Kunststoffformassen von Evonik Röhm GmbH kommerziell unter dem Handelsnamen Plexiglas® erhalten werden.
  • Kaschieren
    • (Joachim Nentwig, Kunststoff-Folien, Hanser Verlag)
  • Unter Kaschieren, manchmal auch als Laminieren bezeichnet, versteht man das dauerhafte vollflächige Zusammenfügen von mindestens zwei flächigen Materialien, die in der Regel als Bahn von der Rolle verarbeitet werden. Man erhält Verbundwerkstoffe, z. B. Verbundfolien, die aus zwei oder mehreren Einzelschichten bestehen. Auch Verbunde von Pappe, Papier, Aluminiumfolien oder Textilien mit Kunststoff-Folien können durch Kaschieren gewonnen werden. Das Verbinden der Bahnen kann nach verschiedenen Verfahren erfolgen:
    • a) Unter Verwendung von Kaschierklebstoffen, die zuvor auf eine der Bahnen aufgetragen werden. Wenn das Kaschieren unmittelbar nach dem Klebstoffauftrag erfolgt, spricht man vom Nasskaschieren. Wenn der Klebstoff vor dem Kaschierprozess getrocknet wird, vom Trockenkaschieren. Eine ohne Lösungsmittel arbeitende Variante ist das Wachskaschieren, das Kaschieren mit Schmelzklebstoffen. Die Materialien, die durch Kaschieren verbunden werden sollen, werden von Rollen abgenommen und unter Zugabe des Kaschierklebstoffs zusammengerührt. Das Verbinden der beiden Bahnen erfolgt zwischen Kaschierwalzen, Kaschiertrommeln oder in Kaschierpressen, meist bei erhöhter Temperatur und erhöhtem Druck. Kaschieranlagen sind heute weitgehend automatisiert. Kaschiervorrichtungen können auch in umfassendere Fertigungslinien integriert sein. Kaschierklebstoffe werden meist in flüssiger Form angewendet. Dazu werden Bindemittel entweder in geeigneten Lösungsmitteln gelöst oder in Wasser dispergiert. Neuere Entwicklungen sind die High-Solid-Systeme, bei denen die Konzentration an Binde-mitteln über 60% liegt. Gegenüber den üblichen Kaschierklebstoffen kann dadurch die Lösungsmittelemission wesentlich gesenkt werden. Die eleganteste Problemlösung sind lösungsmittelfreie Systeme. Man unterscheidet bei den Kaschierklebstoffen zwei verschiedene Wirkungsmechanismen:
    • • Physikalisch härtende Systeme. Die Bindekraft dieser Klebstoffe beruht auf physikalischen Prozessen, d. h. auf der Trocknung des Klebstoffs nach Verdampfen des Lösungsmittels. Als Bindemittel werden natürliche und synthetische, niedermolekulare Polymere eingesetzt.
    • • Chemisch härtende Systeme. Sie werden auch als Reaktionsklebstoffe bezeichnet, weil hier die Aushärtung auf einer chemischen Reaktion beruht. Die besonders wichtigen Polyadditionsklebstoffe sind Polyurethane und Epoxide. Sie werden meist als Zweikomponentenklebstoffe eingesetzt. Die Reaktionspartner werden erst kurz vor dem Kaschieren zusammengegeben, da ihre Mischung nur eine beschränkte Zeit beständig ist. Polyurethanklebstoffe spalten während der Reaktion keine niedermolekularen, flüchtigen Verbindungen ab und sind frei von Lösungsmitteln. Sie sind deshalb zum umweltfreundlichen Kaschieren von Folien ganz besonders gut geeignet.
    • b) Auch mit Schmelzklebstoffen oder Hotmelts, die zu 100% aus festen Klebemitteln bestehen, kann die Kaschierung lösungsmittelfrei durchgeführt werden. Basis sind niedermolekulare thermoplastische Kunststoffe, die gemeinsam mit Wachsen und/oder Harzen in geschmolzenem Zustand angewendet werden und die nach dem Abkühlen eine feste Verbindung der behandelten Materialien ergeben. Das mit Abstand am häufigsten benutzte Material sind Ethylen-Vinylacetat-Copolymere (EVA). Diese Produkte besitzen über einen weiten Temperaturbereich sehr gute Stabilität der Schmelze und ausgezeichnete Kohäsionsfähigkeit. Meist werden Wachse und niedermolekulare, klebrige Harze zugesetzt, um Viskosität und Haftkraft zu erhöhen.
    • c) Beim Thermokaschieren oder Heißkaschieren werden zwei Bahnen ohne Klebstoffauftrag unter Druck und Hitze verbunden. Voraussetzung dafür ist die geeignete Ausrüstung einer der beiden Folienbahnen. Das Verfahren dient zur Hochglanzkaschierung von Papier und Pappe.
    • d) Beim Flammkaschieren wird die Verbindung der beiden Materialien dadurch hergestellt, dass eine der Bahnen durch Beflammen oder seltener durch Infrarotheizung an der Oberfläche zum Erweichen gebracht wird. Das Verfahren eignet sich nicht zur Verbindung Folie/Folie, Folie/Papier oder Folie/Karton. Es wird sehr häufig zum Verbinden von Schaumstoffen oder Textilien mit Folien angewendet.
  • Extrusionskaschieren
  • Eine naheliegende und trotzdem hervorragende Idee zur Verbindung von zwei Folien-bahnen ist das Extrusionskaschieren. Dabei wird die Schmelze eines thermoplastischen Kunststoffs auf eine Folie aufgebracht. Es entsteht ohne die Verwendung eines Klebemittels eine 2-Schicht-Verbundfolie. Das Verfahren wird häufig auch als Extrusionsbeschichten bezeichnet. Bringt man die Schmelze eines Thermoplasts durch Extrusion zwischen zwei Folien, dann werden diese beiden Folien miteinander verbunden; man erhält eine 3-Schicht-Verbundfolie.
  • Das Verfahren wird häufig zum Aufbringen von Siegelschichten angewendet. An die Stelle der Folienbahn kann eine Papier- oder Textilbahn treten. Die zur Extrusionsbeschichtung eingesetzte Folienbahn kann eine Solofolie sein, also aus einer einheitlichen Schicht bestehen, oder aber bereits eine Verbundfolie darstellen. Im zweiten Fall werden Verbundfolien mit mehr als zwei bzw. mehr als drei Schichten erhalten. Auch hier können an Stelle von Kunststoff-Folien Aluminiumfolien, Aluminiumverbunde oder Papier eingesetzt werden. Als thermoplastische Kunststoffe, die in der Schmelze aufgebracht werden, werden meist leicht extrudierbare Produkte, vor allem Polyethylene, Ionomere oder Ethylen-Vinylacetat-Copolymere verwendet. Diese Materialien müssen eine gute Verbundhaftung aufweisen, um ein späteres Delaminieren zu verhindern. Gegebenenfalls müssen Haftvermittler verwendet werden.
  • Häufig werden die durch Extrusionsbeschichten erhaltenen Bahnen direkt weiterverarbeitet, z. B. zu Kartons, Beuteln oder Säcken.
  • Haftvermittler
    • (Joachim Nentwig, Kunststoff-Folien, Hanser Verlag)
  • Bei der Herstellung von Verbundfolien sind häufig Haftvermittler für die Verankerung unterschiedlicher Schichten unentbehrlich. Dabei wird meist ein flüssiger Primer verwendet, der auf eine der zu verbindenden Folien aufgetragen und nach Zulauf der zweiten Folie vernetzt wird. Sofern der Primer Lösungsmittel enthält, müssen diese entfernt werden. Die Schichtdicke der Haftvermittler liegt um 1 μm. Material- und Verfahrenskosten verteuern die erhaltenen Verbunde.
  • Oberflächenbehandlung
  • Die meisten Kunststoff-Folien haben eine Oberfläche, die unpolar, elektrisch gut isolierend und wasserabstoßend ist.
  • Sie ist schlecht benetzbar durch Lösemittel, wässrige Dispersionen, Klebstoffe oder Haftvermittler. Dies gilt vor allem für Polyethylen, PP-BO und Polyesterfolien. Das Bedrucken solcher Folien oder ihre Weiterverarbeitung durch Kaschieren oder Beschichten ist deshalb gar nicht möglich. Die Druckfarben würden nicht haften, bei der Herstellung von Verbundfolien würde Delamination eintreten. Hier hilft man sich durch eine Oberflächenbehandlung, die meist „Vorbehandlung” genannt wird. Ziel ist die Erhöhung der Polarität der Oberfläche, wodurch Benetzbarkeit und chemische Affinität wesentlich verbessert werden. Dies ist Voraussetzung für einen optimalen Verlauf vieler Prozesse der Folienverarbeitung, wie Beschichten, Kaschieren oder Bedrucken.
  • Die wichtigsten Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Folien sind die Corona-Behandlung, die Flammbehandlung, die chemische Behandlung, z. B. mit Fluor oder die Plasmabehandlung
  • Corona-Behandlung
  • Die Corona-Behandlung ist das mit Abstand am häufigsten angewendete Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Folien. Die Corona-Behandlung wird bei der Folienherstellung meist „inline” am Ende des Fertigungsprozesses durchgeführt. Die Folienbahn wird dabei einer elektrischen Entladung ausgesetzt. Zwischen einer geerdeten Walze aus Stahl oder Aluminium und einer darüber befindlichen Elektrode, die von einander durch ein Dielektrikum (auf der Walze oder der Elektrode) elektrisch isoliert sind, tritt eine kontinuierliche, selbstständige Entladung ein, die auf die Oberfläche der Folien-bahn trifft. Die Folie muss unmittelbar auf der Walze aufliegen. Sobald ein Luftspalt vorhanden ist, wird auch die Rückseite der Folien mitbehandelt. Der Hochfrequenzgenerator erzeugt eine Wechselspannung von 10 bis 20 kV mit Frequenzen zwischen 10 und 60 kHz.
  • Der Wirkungsmechanismus der Corona-Behandlung ist trotz der sehr weiten Verbreitung dieses Verfahrens und zahlreicher, in der Literatur veröffentlichter Arbeiten noch nicht völlig geklärt. Sicherlich spielen Oxidationsvorgänge die entscheidende Rolle. Es werden in der Folienoberfläche polare Gruppen gebildet. Es ist auch nachgewiesen, dass ein Abbau der Molekülketten eintritt. Andererseits ist eine Vernetzung der Makromoleküle wahrscheinlich, da die Siegelfähigkeit durch die Corona-Behandlung verschlechtert wird.
  • Die Wirksamkeit der Corona-Behandlung nimmt mit der Zeit ab. Die Lagerfähigkeit der behandelten Folien ist deshalb begrenzt. Bild 104 zeigt den Abfall der Oberflächenspannung an Polyethylenfolien von 40 tm Dicke von zwei unter Standardbedingungen erzielten Ausgangswerten. Gemessen wurde unmittelbar nach der Folien-herstellung, nach einem Tag, dann nach einer, vier und acht Wochen Lagerzeit. Die Oberflächenspannung liegt bei Polyolefinen bei etwa 30 bis 32 mNIm. Um einwandfreie Ergebnisse zu erzielen, muss dieser Wert bei Polyethylenfolien für das Bedrucken auf etwa 40 mNIm, für das Kaschieren auf etwa 45 mN/m und für das Kleben auf etwa 50 mN/m erhöht werden. Für Polypropylen gelten Werte zwischen 36 und 38 mN/m.
  • Der Entladungsvorgang wird vorn Auftreten von Ozon begleitet, das leicht am Geruch zu erkennen ist. Ozon ist ein hochgiftiges Gas. Deshalb ist für entsprechende Belüftung zu sorgen. Wegen des Auftretens von Ozon wird die Corona-Behandlung häufig auch als Ozonbehandlung bezeichnet, was nicht korrekt ist.
  • Die Corona-Behandlung wird durch viele Parameter der Folienherstellung wie Schmelze-Temperatur, Reckverhältnisse und Art der Abkühlung beeinflusst. Zusätze zu den verarbeiteten Polymeren wirken sich meist negativ aus. Je höher z. B. der Anteil von Gleitmitteln in einer Folie ist, umso schwieriger wird die Corona-Behandlung.
  • Deshalb wird sehr häufig vor einer Verarbeitung von Folien (Kaschieren, Beschichten, Bedrucken) eine weitere Corona-Behandlung eingesetzt. Dies geschieht unabhängig davon, ob bereits bei der Folienherstellung eine solche Behandlung inline erfolgte oder nicht.
  • Die Prüfung der Folien auf Wirksamkeit der Corona-Behandlung wird seit langem mit einfachen Mitteln durchgeführt. In der Praxis benutzt man den Tintentest. Die Folie wird mit verschiedenen, gefärbten Flüssigkeiten bestrichen, die abgestufte, definierte Oberflächenspannungen haben. Die Oberflächenspannung derjenigen Tinte, von der die Folie gerade noch benetzt wird, gibt den Wert der Oberflächenspannung der Folie an. Dies ist eine rein empirische, recht grobe Methode. Sie ist jedoch einfach durchzuführen und liefert aussagefähige Werte für die betriebliche Praxis. Exaktere Aussagen sind durch Messung des Randwinkels möglich.
  • Flammbehandlung
  • Im Vergleich zur Corona-Behandlung wird die Flammbehandlung sehr selten angewendet. Die Folie wird dabei bei Gegenwart eines Sauerstoffüberschusses direkt einer Flamme ausgesetzt. Die chemischen Vorgänge, die sich dabei abspielen, sind denen bei der Corona-Behandlung sehr ähnlich, allerdings auch hier noch nicht völlig geklärt.
  • Bei der Flammbehandlung treten im Gegensatz zur Corona-Behandlung keine Durchschläge auf. Nachteile sind die nicht so sichere Handhabung des Verfahrens, das vor allem bei breiten Folienbahnen gar nicht beherrscht werden kann.
  • Die wichtigste Anwendung ist das Kaschieren von Folien gegen Karton und Pappe. Hier gibt es Verfahren, die beide Verbundstoffe beflammen.
  • Fluorbehandlung
  • Vor etwa zehn Jahren wurde die Behandlung von Kunststoffteilen mit Fluor eingeführt. Das Verfahren wurde zuerst diskontinuierlich bei Formteilen für die Automobil-Industrie angewendet, ist aber heute auch für die Verarbeitung von Bahnenware, wie Kunststoff-Folien oder -Schäumen interessant. Das Ziel ist wie bei der Corona-Behandlung eine Erhöhung der Polarität der Oberfläche, damit Lackieren, Kaschieren oder Bedrucken erleichtert werden. Fluor ist ein äußerst aggressives Gas. Durch Substitution von Wasserstoff-Atomen in der Polymerkette wird die Oberflächenspannung erhöht und die Benetzung erleichtert. Fluor wird zusammen mit Stickstoff in Konzentrationen von 2 bis 10% angewendet. Die Reaktionsgeschwindigkeit ist gering; entsprechend niedrig sind die Bahn-Geschwindigkeiten. Bei der kontinuierlichen Behandlung von Kunststoff-Vliesen wurde mit 5 m/min gearbeitet. Eine Weiterentwicklung führte jedoch bereits zu einer Verzehnfachung der Leistung. Die Fluor-Behandlung von Folien ist für Produkte in der Klebeband-Herstellung bekannt geworden.
  • Plasmabehandlung
  • Ein Plasma wird häufig als der „vierte Aggregatzustand” bezeichnet. In festen Materialien sind die Atome oder Moleküle dicht gepackt. Ihre Beweglichkeit im flüssigen Zustand ist wesentlich größer und sie erreicht in der Gasphase eine weitere beträchtliche Steigerung. Ein Plasma ist ein hoch reaktives Gas. Im Allgemeinen sind positive Ionen und negative Elektronen in gleicher Anzahl vorhanden, so dass das Plasma nach außen neutral erscheint. Man unterscheidet Hochtemperaturplasmen (Sonnen, Blitze, Bogenentladungen) und Niedertemperaturplasmen (Nordlicht, Glimmentladung, Neonröhre). Die sehr häufig in der Folientechnologie eingesetzte Corona-Entladung ist eine Plasma-Behandlung. Sie wird seit Jahrzehnten eingesetzt und wegen ihrer weiten Verbreitung gesondert behandelt.
  • Seit einiger Zeit gewinnt die Plasmabehandlung steigende Bedeutung für die Folien-technologie. Zunächst wurden Niederdruck-Plasmen (ND) zur Modifizierung, Reinigung und Aktivierung der Folienbahn eingesetzt. Manche Verarbeitungsprozesse wurden durch die ND-Plasmatechnologie überhaupt erst effizient, z. B. das Metallisieren oder Beschichten mit Sperrschicht-Materialien. Ein schönes Beispiel ist die Keramisierung von Folien, wo Plasmen zur Vor- und Nachbehandlung der Folienbahn eingesetzt werden.
  • Die Atmosphärendruck(AD)-Plasmatechnologie ist eine jüngere Entwicklung. Sie erzielt ähnliche Effekte wie die ND-Plasmatechnik, benötigt aber kein Vakuum. Sie kann deshalb bei kontinuierlichen Prozessen mit hohen Geschwindigkeiten Inline eingesetzt werden. Das räumlich begrenzte Plasma kann sehr gut für lokale Effekte genutzt werden. Dies geschieht durch eine neuartige Düse, die durch einen Roboter geführt wird. Feinste Konturen können gereinigt oder für weitere Anwendungen aktiviert werden. Die Anwendungen dieser Technologie steht noch am Anfang. Eine Versuchsanlage für 0,3 m Bahnware mit Geschwindigkeiten bis zu 400 m/min steht zur Verfügung.
  • Das Aldyne-Verfahren, von Softal und Air Liquide gemeinsam entwickelt, verwendet einen Atmosphärendruck-Plasmaprozess für die Erzeugung monomolekularer Haftvermittlerschichten mit einer Dicke von typischerweise 0,3 bis 0,4 nm. Mit dem Verfahren können traditionelle flüssige Primer durch einen wesentlich kostengünstigeren reinen Gasphasenprozess ersetzt werden.
  • Da beim AldyneTM-Prozess keine flüssigen oder festen Substanzen beteiligt sind, können sich entsprechende Rückstände und Verunreinigungen nicht akkumulieren. Dadurch entfallen aufwändige Reinigungsvorgänge sowie damit gegebenenfalls verbundene Stillstandzeiten. Ebenso entfallen Trocknung und etwaige Lösemittelentsorgung. Die erzeugte molekulare Beschichtung kann spezifisch an den gewünschten Veredelungsprozess angepasst werden. Amido-, Imido- oder Aminogruppen garantieren beispielsweise beste Haftung gegenüber wasserbasierten, löesmittelhaltigen oder auch UV-vernetzenden Druckfarben, Lacken und Klebern.
  • AldyneTM ist ein „Inline”-Prozess und kann in einfacher Weise in bestehende oder neue Extrusions- oder Veredelungslinien integriert werden. Bahnbreiten von mehreren Metern und Behandlungsgeschwindigkeiten von über 500 m/min sind möglich. Der Hauptbestandteil eines AldyneTM-Systems ist eine speziell entwickelte Plasmaquelle, die die Gasatmosphäre in der Entladungszone im ppm-Bereich kontrollierbar macht. Damit ist es möglich, die chemischen Vorgänge im Plasma und letztlich an der zu behandelnden Oberfläche gezielt zu steuern. Eine Gasmischeinheit zur Bereitstellung der geeigneten Gasmischung und eine Prozesskontrolleinheit, die den automatisierten Gesamtprozess steuert, vervollständigen das System.
  • Die verwendeten Farbstoffe
  • Fluoreszierende Farbstoffe
  • Als Farbstoffe können Farbstoffe der Typen Perylen-, Terylen- und Rylenderivate aus der Lumogen® – Reihe der BASF, Rhodamine, LDS® – Reihe von Exciton, substituierte Pyrane (z. B. DCM), Coumarine (z. B. Coumarin 30, Coumarin 1, Coumarin 102, usw.) Oxazine (z. B. Nilblau oder auch als Nilblau A bezeichnet), Pyridine, Styrylderivate, Dioxazine, Naphthalimide, Thiazine, Stilbene und Cyanine (z. B. DODCI) von z. B. Lambdachrome® und Exciton® eingesetzt werden. Die Typen der Perylen-, Terylen- und Rylenderivate Farbstoffe sind in der WO 2007/031446 beschrieben.
  • Auch Komplexverbindungen der Lanthanide sowie nanoskopische Halbleiterstrukturen, sogenannte Quantum Dots, z. B. auf Basis Cadmiumselenid, Cadmiumsulfid, Zinksulfid, Bleiselenid, Bleisulfid u. a. sind dafür geeignet. Herstellung und Verwendung der Quantum Dots sind in US 2007/0132052 , US 2007/0174939 , WO 0229140 , WO 2004022637 , WO 2006065054 und WO 2007073467 beschrieben.
  • Komplexverbindungen der Lanthanide sind in CA 20072589575 , EP 0767912 und in WO 9839822 sowie in Appl. Phys. Lett. 91, 051903 (2007), 23rd European Photovoltaic Solar Energy Conference, Valencia, 700 (2008), Am. Chem. Soc. (2007), DOI 10.1021/ja070058e beschrieben.
  • Die photonische Schicht
  • Die photonische Schicht ist auf den Kunststoffformkörper angeordnet, so daß das Sonnenlicht diese Schicht erst durchdringen muß, bevor die Fluoreszenzfarbstoffe im Kunststoffformkörper zur Fluoreszenz angeregt werden können
  • Als photonische Schicht bzw. wellenlängenabhängige Spiegel sind z. B. Interferenzfilter (Stack Filter, Rugate Filter, Notch Filter usw.), die als Bandpaßfilter oder Kantenfilter aufgebaut sein können, bekannt. Diese werden z. B. durch abscheiden mehrerer dünner dielektrischer Schichten mit verschiedenen Brechzahlen auf ein Substrat hergestellt. (s. Olaf Stenzel, "The Physics of Thin Film Optical Spectra", Springer-Verlag) und (N. Kaiser, H. K. Pulker, "Optical Interference Coatings", Springer-Verlag).
  • Die Schichtdicke der einzelnen Schicht ist dabei in der Regel kleiner als die Lichtwellenlänge.
  • Eine weitere Möglichkeit ist die Verwendung von photonischen Kristallen, die in folgenden Anmeldungen beschrieben werden ( DE 10024466 , DE 10204338 , DE 10227071 , DE 10228228 , DE 10 2004 055 303 , US 6,863,847 , WO 0244301 , DE 10357681 , DE 10 2004 009 569 , DE 10 2004 032 120 , WO 2006045567 , DE 10245848 , DE 10 2006 017 163 )
  • Dabei handelt es sich um kleine transparente kugelförmige anorganische oder organische Körper, die in der dichtesten Kugelpackung angeordnet sind. Je nach Größe und Abstand der Kugeln reflektieren diese Licht in einer definierten Bandbreite und lassen das übrige Licht nahezu vollständig durch diese Schicht durch. Es können auch hohlkugelförmige Strukturen eingesetzt werden. Dann handelt es sich um inverse Opale. Die einzelnen kugelförmigen oder hohlkugelförmigen Strukturen haben dabei den Durchmesser von ca. 1/3 der zu reflektierenden Lichtwellenlänge (Abhängig vom Einfallswinkel des Lichtes und dem Abstand der Kugeln).
  • Der Reflektor
  • Unter dem Kunststoffformkörper kann gegebenenfalls zur Ausbeuteerhöhung noch ein optisch reflektierender Formkörper, z. B. ein Spiegel oder eine weiße Folie oder eine Platte angeordnet sein.
  • Die Solarzellen
  • Die Solarzelle kann aus den üblichen Materialen aufgebaut sein, wie beispielsweise
    • • Siliziumsolarzellen Monokristallines Silizium (c-Si), multikristallines Silizium (mc-Si), amorphes Silizium (a-Si), ebenso Tandemzellen aus multikristallinem und amorphem Silizium
    • • III-V-Halbleiter Solarzellen Galliumarsenid (GaAs), Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), Gallium-Indium-Arsenid (GaInAs), Gallium-Indium-Arsen-Phosphid (GaInAsP), Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), Galliumantimonid (GaSb) Ebenso Tandemzellen (Mehrfachsolarzelle) aus Gallium-Indium-Phosphid und Galliumarsenid, aus Gallium-Indium-Arsenid und Gallium-Indium-Arsen-Phosphid, aus Gallium-Indium-Phosphid und Gallium-Indium-Arsenid, aus Galliumarsenid und Galliumantimonid oder aus Gallium-Arsenid und Germanium bzw. Tripelzellen (3-fach Solarzelle) aus Gallium-Indium-Phosphid, Galliumarsenid und Germanium oder aus Gallium-Indium-Phosphid, Gallium-Indium-Arsenid und Galliumantimonid.
    • • II-VI-Halbleiter Solarzellen Cadmiumtellurid (CdTe), Cadmiumsulfid (CdS)
    • • I-III-V-Halbleiter Solarzellen CIS-Zellen: Kupfer-Indium-Diselenid (CuInSe2) bzw. Kupfer-Indium-Disulfid (CuInS2) CIGS-Zellen: Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CuInGaSe2) Kupfer-Gallium-Diselenid (CuGaSe2), Kupfer-Gallium-Disulfid (CuGaS2)
    • • Außerdem gibt es noch neuere Entwicklungen von Solarzellen auf der Basis von organischen Werkstoffen.
  • Die folgende Tabelle zeigt einige Beispiele von Halbleitern für Solarzellen. Die angegebene Wellenlänge entspricht der Wellenlänge des Lichtes, das die Energie liefert, die gleich der Energie der Energielücke des Halbleiters ist, d. h. mit diesem Licht arbeitet der Halbleiter als Solarzelle am effektivsten (Die Fluoreszenzkonversionszelle wird auf diese Wellenlänge abgestimmt).
    Zellmaterial Energielücke [eV] Wellenlänge [nm]
    Ge 0,66 1879
    GaSb 0,73 1708
    CuInSe2 1,0 1240
    Si 1,12 1107
    GaInAs 1,24–1,39 998–891
    GaAs 1,42 873
    CuInS2 1,55 800
    CdTe 1,56 795
    GaInP 1,64–1,81 756–687
    CuGaSe2 1,68 738
    a-Si:H 1,7 729
    Cu GaS2 2,30 539
    CdS 2,42 512
  • Durchführung der Erfindung
  • Beispiele
  • Beispiel 1: Herstellung einer Vorrichtung mit einer Schicht hergestellt durch ein Extrusionsverfahren
  • In 940 Gewichts-Teilen Methylmethacrylat und 60 Gewichts-Teilen Methylacrylat werden 0,34 Gewichts-Teilen Dilauroylperoxid und 3,0 Gewichts-Teilen 2-Ethylhexylthioglycolat gelöst.
  • Anschließend wird eine Mischung, bestehend aus
    2,0 Gewichts-Teilen Lumogen F Gelb 083 (BASF)
    2,0 Gewichts-Teilen Lumogen F Orange 240 (BASF)
    4,0 Gewichts-Teilen Lumogen F Rot 305 (BASF)
    hinzugefügt.
  • Der Ansatz wird intensiv gerührt, in eine Tasche aus Polyesterfolie eingefüllt, verschlossen und 24 Stunden im Wasserbad bei 60°C polymerisiert. Die Endpolymerisation erfolgt im Temperschrank bei 120°C für etwa 10 Stunden. Anschließend wird das erhaltene Material in einer Mühle granuliert.
  • Aus dem erhaltenen Granulat wird eine Folie in 75 μm Dicke mittels Extrusion hergestellt.
  • Man erhält eine homogene rot fluoreszierende Folie von 75 μm Dicke.
  • Die erhaltene Folie wird mittels eines Laminationsverfahrens auf eine gereinigte PMMA-Platte, z. B. PLEXIGLAS® XT Farblos 0A000 mit den Maßen 200 mm × 150 mm und 3 mm Dicke aufgebracht.
  • Beispiel 2: Herstellung einer Vorrichtung mit drei Schichten hergestellt durch ein Extrusionsverfahren
  • Grünes Granulat:
  • In 940 Gewichts-Teilen Methylmethacrylat und 60 Gewichts-Teilen Methylacrylat werden 0,34 Gewichts-Teilen Dilauroylperoxid und 3,0 Gewichts-Teilen 2-Ethylhexylthioglycolat gelöst.
  • Anschließend werden 2,0 Gewichts-Teile Lumogen F Gelb 083 (BASF) hinzugefügt.
  • Der Ansatz wird intensiv gerührt, in eine Tasche aus Polyesterfolie eingefüllt, verschlossen und 24 Stunden im Wasserbad bei 60°C polymerisiert. Die Endpolymerisation erfolgt im Temperschrank bei 120°C für etwa 10 Stunden. Anschließend wird das erhaltene Material in einer Mühle granuliert.
  • Rotes Granulat:
  • In 940 Gewichts-Teilen Methylmethacrylat und 60 Gewichts-Teilen Methylacrylat werden 0,34 Gewichts-Teilen Dilauroylperoxid und 3,0 Gewichts-Teilen 2-Ethylhexylthioglycolat gelöst.
  • Anschließend werden 4,0 Gewichts-Teile Lumogen F Rot 305 (BASF) hinzugefügt.
  • Der Ansatz wird intensiv gerührt, in eine Tasche aus Polyesterfolie eingefüllt, verschlossen und 24 Stunden im Wasserbad bei 60°C polymerisiert. Die Endpolymerisation erfolgt im Temperschrank bei 120°C für etwa 10 Stunden.
  • Anschließend wird das erhaltene Material in einer Mühle granuliert.
  • Oranges Granulat:
  • In 940 Gewichts-Teilen Methylmethacrylat und 60 Gewichts-Teilen Methylacrylat werden 0,34 Gewichts-Teilen Dilauroylperoxid und 3,0 Gewichts-Teilen 2-Ethylhexylthioglycolat gelöst.
  • Anschließend werden 2,0 Gewichts-Teile Lumogen F Orange 240 (BASF) hinzugefügt.
  • Der Ansatz wird intensiv gerührt, in eine Tasche aus Polyesterfolie eingefüllt, verschlossen und 24 Stunden im Wasserbad bei 60°C polymerisiert. Die Endpolymerisation erfolgt im Temperschrank bei 120°C für etwa 10 Stunden. Anschließend wird das erhaltene Material in einer Mühle granuliert.
  • Jedes der drei Granulate (grün, rot, orange) wird in einem separaten Extruder aufgeschmolzen. Die drei Schmelzen werden über einen Coextrusionsadapter zusammengeführt und flächig übereinander angeordnet. Anschließend wird diese Mischung über ein Breitschlitzwerkzeug zu einer Folie ausgeformt.
  • Die Dicke jeder einzelnen Farbschicht ist 25 μm. Außen befinden sich die Rote bzw. grüne Schicht, die Innenschicht ist orange.
  • Man erhält eine dreischichtige fluoreszierende Folie mit der Gesamtdicke von 75 μm.
  • Die erhaltene Folie wird mittels eines Laminationsverfahrens auf eine gereinigte PMMA-Platte, z. B. PLEXIGLAS® XT Farblos 0A000 mit den Maßen 200 mm × 150 mm und 3 mm Dicke aufgebracht.
  • Ergebnisse
  • Von den Versuchen nach Bsp. 1 und 2 wurden Proben in den Abmessungen von ca. 10 × 50 mm geschnitten und an allen Kanten poliert. Anschließend wurde die Fluoreszenzintensität an einem Fluoreszenz Spektralphotometer LS-55 (Perkin Elmer) vermessen. Zur Anregung wurde eine tageslichtähnliche Xenonlichtquelle eingesetzt.
  • Die maximalen Intensitäten und die zugehörigen Wellenlängen sind in Tabelle 1 erfasst. Tabelle 1
    Versuch Wellenlänge in nm Rel. Intensität
    Bsp 1 644 48
    Bsp 2 648 55
  • Der Versuch nach Beispiel 2 zeigt eine höhere Intensität.
  • Figurenbeschreibung
  • Figuren
  • 1:
    Aufbau einer Solarzelle mit dem homogen eingefärbten Fluoreszenzkollektor, hergestellt durch Extrusion und anschließender Lamination, nach Bsp. 1
  • 2:
    Aufbau einer Solarzelle mit dem mehrschichtig eingefärbten Fluoreszenzkollektor, hergestellt durch Coextrusion und anschließender Lamination, nach Bsp. 2
  • 1 und 2 zeigen beispielhafte Anordnungen von Solarzellen (4) am Fluoreszenzkollektor (2, 21–24), der auf seiner Oberseite optional mit einem photonischen Formkörper (1) und an seiner Unterseite optional mit einem Reflektor, z. B. Spiegel oder weißen Platte (3) ausgerüstet ist.
  • 3:
    Prinzipskizze der Fluoreszenzmessung
  • Bezugszeichenliste
  • Figurenbeschreibung
    • 1
    photonische Schicht
    2
    Kunstoffformkörper
    21
    homogen eingefärbte fluoreszierende Folie
    22, 23, 24
    mehrschichtig eingefärbte fluoreszierende Folie
    3
    Reflektor, z. B. Spiegel oder weiße Platte
    4
    Solarzelle
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (27)

  1. Kunststoffformkörper aus Polymethyl(meth)acrylat, beschichtet mit einer Folie, dadurch gekennzeichnet, dass die Folie mit mindestens einem Fluoreszenzfarbstoff eingefärbt ist.
  2. Kunststoffformkörper aus Polymethyl(meth)acrylat, beschichtet mit einer Folie aus mehreren einzelnen Lagen, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Lagen mit mindestens einem Fluoreszenzfarbstoff eingefärbt sind.
  3. Kunststoffformkörper aus Polymethyl(meth)acrylat, dadurch gekennzeichnet, dass er aus mehreren einzelnen Kunststoffformkörpern, beschichtet mit einer Folie, die mit mindestens einem Fluoreszenzfarbstoff eingefärbt sind, aufgebaut ist.
  4. Kunststoffformkörper aus Polymethyl(meth)acrylat, dadurch gekennzeichnet, dass er aus einzelnen verklebten, mit einer Folie beschichteten Kunststoffformkörpern, die mit mindestens einem Fluoreszenzfarbstoff eingefärbt sind, aufgebaut ist.
  5. Kunstoffformkörper aus Polymethyl(meth)acrylat nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung mit einer oder mehreren einzelnen Folien oder Folienverbunden nach dem Verfahren der Nasskaschierung, Trockenkaschierung, Thermokaschierung oder der Extrusionskaschierung hergestellt ist.
  6. Kunstoffformkörper aus Polymethyl(meth)acrylat nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die einzelnen Folien nach dem Verfahren der Extrusion hergestellt sind.
  7. Kunstoffformkörper aus Polymethyl(meth)acrylat nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienverbunde nach dem Verfahren der Coextrusion hergestellt sind.
  8. Kunstoffformkörper aus Polymethyl(meth)acrylat nach Anspruch 1–4, dadurch gekennzeichnet, dass die Folienverbunde nach dem Verfahren der Nasskaschierung, Trockenkaschierung, Thermokaschierung oder der Extrusionskaschierung hergestellt sind.
  9. Kunststoffformkörper aus Polymethyl(meth)acrylat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mit mindestens einem organischen Fluoreszenzfarbstoff gefärbt ist.
  10. Kunststoffformkörper aus Polymethyl(meth)acrylat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mit mindestens einem organischen Fluoreszenzfarbstoff auf der Basis von Rylen, Perylen, Terylen und/oder Quaterylen gefärbt ist.
  11. Kunststoffformkörper aus Polymethyl(meth)acrylat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mit mindestens einem Farbstoff auf Basis komplexer Lanthanoidverbindungen gefärbt ist.
  12. Kunststoffformkörper aus Polymethyl(meth)acrylat nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass er mit mindestens einem Farbstoff auf Basis nanoskopischer Halbleiterstrukturen (Quantum Dots) gefärbt ist.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Kunststoffformkörpers aus Polymethyl(meth)acrylat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er in einem Extrusionsverfahren hergestellt wird, welches folgende Schritte umfaßt: Lösung der Farbstoffe oder der Farbstoffmischung in einem Monomergemisch, überführen des Monomergemischs in einen Behälter, Polymerisieren durch Temperaturerhöhung und anschließendes Granulieren des erhaltenen Polymerisats, das Granulat wird über Extrusions- oder Coextrusions-Verfahren weiterverarbeitet.
  14. Anordnung aus einem Kunststoffformkörper nach Anspruch 1–8 und einer Solarzelle.
  15. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine photonische Schicht auf dem Kunststoffformkörper angeordnet ist.
  16. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine photonische Schicht aus einem dielektrischen Interferenzfilter angeordnet ist.
  17. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine photonische Schicht aus einem dielektrischen Interferenzfilter, der als Kantenfilter ausgebildet ist, angeordnet ist.
  18. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine photonische Schicht aus einem dielektrischen Interferenzfilter, der als Bandpaßfilter ausgebildet ist, angeordnet ist.
  19. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine photonische Schicht, die aus photonischen Kristallen aufgebaut ist, angeordnet ist.
  20. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine photonische Schicht, die als inverser Opal ausgebildet ist, angeordnet ist.
  21. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein flächiger Reflektor unter dem Kunststoffformkörper angeordnet ist.
  22. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Reflektor ein Spiegel unter dem Kunststoffformkörper angeordnet ist.
  23. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Reflektor eine weiße Folie oder Platte unter dem Kunststoffformkörper angeordnet ist.
  24. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine photonische Schicht auf dem Kunststoffformkörper und ein Reflektor unter dem Kunststoffformkörper angeordnet sind.
  25. Anordnung nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine photonische Schicht nach Anspruch 15 bis 20 auf dem Kunststoffformkörper und ein Reflektor nach Anspruch 21 bis 23 unter dem Kunststoffformkörper angeordnet sind.
  26. Verwendung eines Kunststoffformkörpers nach einem der Patentansprüche 1 bis 12 zur Herstellung von Solarkollektoren.
  27. Verwendung einer Anordnung nach einem der Patentansprüche 14 bis 25 zur Herstellung von Solarkollektoren.
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