DE102011050702B4

DE102011050702B4 - Solarmodul-Herstellungsverfahren und Solarmodul-Nachbehandlungsverfahren

Info

Publication number: DE102011050702B4
Application number: DE102011050702.7A
Authority: DE
Inventors: Stefan BORDIHN; Verena Mertens; Peter Engelhart
Original assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Current assignee: Hanwha Q Cells GmbH
Priority date: 2011-05-30
Filing date: 2011-05-30
Publication date: 2018-11-22
Anticipated expiration: 2031-05-31
Also published as: DE102011050702A1

Abstract

Solarmodul-Herstellungsverfahren, umfassend die Verfahrensschritte:
- Anordnen einer Solarzellenanordnung (1) aus einem oder mehreren miteinander verschalteten Solarzellen (11) auf einem Träger (2);
- Bedecken der Solarzellenanordnung (1) mit einer Barriereschicht (3); und
- Abscheiden einer anorganischen Oxidschicht (4) auf die Barriereschicht (3), wobei die anorganische Oxidschicht (4) nach dem Bedecken der Solarzellenanordnung (1) mit der Barriereschicht (3) auf die Barriereschicht (3) abgeschieden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Solarmodul-Herstellungsverfahren und ein Solarmodul-Nachbehandlungsverfahren.
Ein Solarmodul auf Basis von Wafersolarzellen besteht in der Regel aus einer verkapselten Anordnung aus miteinander verschalteten Solarzellen. Die Solarzellen sind hierbei mittels Verbinderelementen elektrisch miteinander verbunden und entlang einer Fläche matrixförmig nebeneinander angeordnet. Die Verkapselung erfolgt üblicherweise auf einer Seite der Solarzellenanordnung, nämlich auf der Lichteinfallseite der Solarzellen, mittels eines Glasträgers, auf dem die Solarzellen angeordnet sind, und auf einer der Lichteinfallseite gegenüber liegenden Rückseite der Solarzellen mittels einer Barriereschicht und gegebenenfalls einer zusätzlichen Siegelschicht zwischen den Solarzellen und der Barriereschicht.
Aufgrund dieser Verkapselung sollen die Solarzellen nicht nur gegenüber mechanischen Beanspruchungen, sondern auch vor der Umgebungsatmosphäre geschützt werden. Die Barriereschicht und die Siegelschicht sind hierzu aus Kunststoff oder aus einem Kunststoffverbund gebildet, beispielsweise aus Polyethylenterephthalat (PET) oder Ethylenvinylacetat (EVA). Derartige Barriereschichten haben jedoch den Nachteil, dass sie keinen ausreichenden Schutz gegenüber dem Eindringen von Wasserdampf in das Solarmodul bieten. Somit kann durch die Barriereschicht und gegebenenfalls auch durch die Siegelschicht Wasserdampf eindringen und mit der Zeit zu einer deutlichen Degradation der Solarzellen führen.
Aus der US2008/0283117A1 ist beispielsweise Solarmodul und ein Verfahren dessen Herstellung bekannt, wobei das Solarmodul ein Solarzellensystem, eine Füllschicht zum Versiegeln der Solarzellen und einen Laminat-Harzfilm aus einer PET-Harzschicht, einer Klebeschicht und einer wetterbeständigen PVDF-Harzschicht aufweist.
US2011/0048506A1 beschreibt weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls, bei dem mehrere Solarzellen bereitgestellt werden, die Solarzellen mit einer Oberflächenvorbehandlungsschicht und anschließend mit einer Feuchtigkeitsbarriereschicht bedeckt werden. Die Feuchtigkeitsbarriereschicht hält jedoch nicht Wasserdampf davon ab, in das Solarmodul einzudringen und die darin enthaltenen Solarzellen zu schädigen.
Um das zu vermeiden, ist beispielweise aus EP 0 969 521 A1 bekannt, die Solarzellenanordnung rückseitig mit einer Wasserdampfbarriere zu verkapseln. Diese Wasserdampfbarriere besteht aus einer Siegelschicht und einer Barriereschicht, welche auf ihrer den Solarzellen zugewandten Oberfläche mit einer anorganischen Oxidschicht versehen ist. Die Solarzellenanordnung wird in dem bekannten Verfahren also verkapselt, indem sie rückseitig mit einem Laminat aus einer zwischen der Siegelschicht und der Barriereschicht angeordneten anorganischen Oxidschicht beschichtet wird.
Weiterhin offenbart WO01 /67523A1 ein Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls, bei dem ein Solarzellensystem ggf. beidseitig von Einbettungsmaterial-Verbunden umhüllt wird. Die Einbettungsmaterial-Verbunde weisen eine Siegelschicht, eine darauf angeordnete Trägerschicht, eine auf der Trägerschicht angeordnete anorganische Oxidschicht und eine auf der anorganischen Oxidschicht angeordnete Witterungsschutzschicht auf. In dem Verfahren werden die Einbettungsmaterial-Verbunde auf das Solarzellensystem aufgebracht.
Derartige Verkapselungen sind jedoch aufwendig und teuer. Zudem können sich aufgrund von Biegungen der Barriereschicht beim Auflegen des Laminats auf die Solarzellenanordnung in der auf die Barriereschicht abgeschiedenen anorganischen Oxidschicht Risse bilden, durch welche Wasserdampf durchtreten kann. So kann die Wasserdampf blockierende Eigenschaft des Laminats vermindert werden.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls bereitzustellen, so dass die in dem Solarmodul verkapselten Solarzellen effizient und kostengünstig vor eindringendem Wasserdampf geschützt werden.
Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Solarmodul-Herstellungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Solarmodul-Nachbehandlungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die anorganische Oxidschicht auf die Barriereschicht erst dann abgeschieden wird, nachdem die Solarzellenanordnung mit der Barriereschicht bedeckt wurde beziehungsweise nachdem die Barriereschicht auf die Solarzellenanordnung aufgebracht wurde. Somit kann die anorganische Oxidschicht auch bei Solarmodulen eingesetzt werden, welche bereits mit herkömmlichen Verkapselungen aus einer Barriereschicht und gegebenenfalls einer Siegelschicht verkapselt worden sind. In diesem Fall erfolgt das Abscheiden der Oxidschicht auf der Barriereschicht im Rahmen eines nachträglichen Nachbehandlungsverfahrens.
Mittels der Abscheidung der anorganischen Oxidschicht wird ein Solarmodul geschaffen, das eine effektive Wasserdampfbarriere aufweist, um das Eindringen von Wasserdampf in die Solarzellenanordnung zumindest von der Barriereschicht her zu erschweren oder sogar zu verhindern. Es ist hierbei wichtig, dass die anorganische Oxidschicht auf einer Seite der Barriereschicht abgeschieden ist, welche der Solarzellenanordnung abgewandt ist.
Die auf dem Träger angeordnete Solarzellenanordnung umfasst zumindest eine Solarzelle. Vorzugsweise handelt es sich jedoch um eine Zusammenschaltung mehrerer Solarzellen, insbesondere mehrerer Wafersolarzellen, welche mittels Verbinderelementen seriell oder parallel miteinander elektrisch verbunden sind. Bei dem Träger kann es sich vorzugsweise um einen Glasträger handeln. Es können jedoch Träger aus anderen Materialien vorgesehen sein, welche transparent sein können, um als lichteinfallseitige Verkapselung zu dienen, beispielsweise aus transparentem Kunststoff wie Polymethylmethacrylat (PMMA). Alternativ können auch nicht-transparente Materialien eingesetzt werden, wenn der Träger im Betrieb des Solarmoduls vom einfallenden Licht abgewandt ist.
Die Solarzellenanordnung wird anschließend mit einer Barriereschicht bedeckt. Die Barriereschicht wird hierbei vorzugsweise aus einem organischen Material gebildet, bevorzugterweise aus einem Polymermaterial. Beispielsweise kann die Barriereschicht Polyvinylfluorid (PVF, auch unter dem Handelsnamen Tedlar der Firma DuPont bekannt), Ethylenvinylacetat (EVA), Polyethylenterephthalat (PET) und / oder Ethylen-Tetrafluorethylen (ETFE) aufweisen oder hieraus bestehen. Andere geeignete Materialien können ebenfalls eingesetzt werden.
Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung wird die Barriereschicht aus einem organischen Verbundmaterial gebildet. Das Verbundmaterial kann mittels Form- oder Stoffschluss aus zwei oder mehr unterschiedlichen Materialien gebildet sein. Insbesondere kann es sich um einen Teilchenverbundwerkstoff, auch als Dispersionswerkstoff bezeichnet, um einen Faserverbundwerkstoff, um einen Schichtverbundwerkstoff, auch als Laminate bezeichnet, und / oder um einen Durchdringungsverbundwerkstoff handeln.
Alternativ oder zusätzlich zur Verwendung eines Verbundmaterials als Barriereschicht, welche auf die Solarzellenanordnung aufgetragen wird, kann die Barriereschicht auch aus mehreren Schichten gebildet sein, welche nacheinander auf die Solarzellenanordnung angeordnet werden, um zusammen eine Verkapselung zu bilden. Vorzugsweise kann zudem eine Siegelschicht vorgesehen sein, welche vor dem Aufbringen der Barriereschicht auf die Solarzellenanordnung aufgebracht wird. Auch die Siegelschicht kann in Form und / oder Material eine der vorangehend für die Barriereschicht erläuterten Ausführungsformen aufweisen.
Die anorganische Oxidschicht kann entweder als Teil eines Solarmodul-Herstellungsverfahrens oder im Rahmen eines Solarmodul-Nachbehandlungsverfahrens auf die Barriereschicht aufgebracht werden. Im letzteren Fall kann beispielsweise das Solarmodul separat hergestellt und gegebenenfalls elektrisch und optisch getestet werden, ehe in einem zusätzlichen Prozess die Abscheidung der Oxidschicht erfolgt, gegebenenfalls nachdem das Solarmodul bereit einige Zeit zur Stromerzeugung eingesetzt worden ist.
In jedem Fall sollte die anorganische Oxidschicht derart abgeschieden werden, dass sie die Barriereschicht zumindest teilweise, bevorzugt jedoch vollständig bedeckt. Vorzugsweise wird die anorganische Oxidschicht derart abgeschieden, dass sie zusätzlich auch den Träger auf einer der Solarzellenanordnung abgewandten Trägeroberfläche und / oder eine auf der Barriereschicht angeordnete Verbinderbox teilweise oder vollständig bedeckt. Mit anderen Worten kann das gesamte bereits verkapselte und gegebenenfalls auch mit einer Verbinderbox versehene Solarmodul vorder- und rückseitig mit der anorganischen Oxidschicht ummantelt werden. Bei der Verbinderbox (junction box) oder Anschlussbox handelt es sich um einen Behälter, durch welchen die Anschlüsse des Solarmoduls nach Außen geführt werden. Sie wird in der Regel direkt auf die Verkapselung des Solarmoduls befestigt, beispielsweise geklebt.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass während des Abscheidens der anorganischen Oxidschicht die Temperatur der Barriereschicht unterhalb von 100°C, 80°C, 60°C, 50°C oder auf etwa Raumtemperatur gehalten wird. Insbesondere dann, wenn die Barriereschicht aus einem Polymer oder aus einem anderen temperaturempfindlichen Material gebildet ist, kann auf diese Weise eine Degradation der Verkapselungseigenschaften der Barriereschicht verhindert werden.
Es sind unterschiedliche Abscheideprozesse für die Abscheidung der anorganischen Oxidschicht denkbar. Anders als bei einer Laminierung mit einer Deckschicht, auf der die Oxidschicht aufgebracht ist, wird die Oxidschicht hier also mittels eines physikalischen oder chemischen Abscheideverfahrens atomar oder molekülweise auf die Barriereschicht abgeschieden, so dass sich eine innige Verbindung zwischen Oxidschicht und Barriereschicht ergibt. Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die anorganische Oxidschicht mittels eines Atomlagenabscheideverfahrens (ALD - „atomic layer deposition“) abgeschieden wird. Insbesondere ist hierbei ein Plasma unterstütztes ALD-Verfahren von Vorteil, da aufgrund der Energiebereitstellung mittels des Plasmas Oxidationsreaktionen mit O₂ begünstigt werden.
Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass die anorganische Oxidschicht Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Magnesiumoxid, Titanoxid und /oder Siliziumnitrid umfasst. Es können auch Kombinationen dieser Materialien zur Bildung der anorganischen Oxidschicht eingesetzt werden, beispielsweise in Form mehrerer Oxidschichten, um eine mehrschichtige Oxidschicht zu bilden.
Bei einigen vorteilhaften Ausführungsformen ist vorgesehen, dass die anorganische Oxidschicht mit einer Oxidschichtdicke von unter 500nm, von unter 300nm, oder von etwa 10nm bis 200nm abgeschieden wird. Auch mit derartig geringen Schichtdicken kann mittels der Wahl eines geeigneten Materials ausreichender Schutz gegenüber dem Eindringen von Wasserdampf erzielt werden.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen in schematischer Querschnittsansicht:

1 einen Träger für ein Solarzellenmodul;
2 den Träger aus der 1 mit einer Solarzellenanordnung;
3 ein Solarmodul umfassend die Solarzellenanordnung aus der 2 mit einer Verkapselung;
4 die mit einer anorganischen Oxidschicht bedeckte Verkapselung des Solarmoduls aus der 3;
5 das Solarmodul aus der 4 mit montierter Verbinderbox; und
6 eine zu der 5 alternative Ausführungsform für ein mit einer anorganischen Oxidschicht bedecktes Solarmodul.

Anhand der 1 bis 5 wird nachfolgend eine Ausführungsform eines Solarmodul-Herstellungsverfahrens erläutert. Zunächst wird, wie in der 1 dargestellt, ein Träger 2 bereitgestellt. Der Träger 2 sollte vorzugsweise transparent zumindest für einen Wellenlängenbereich sein, für welche die Solarzellen 11 optimiert sind. Zweckmäßigerweise wird hierfür ein Träger 2 aus Glas oder Plexiglas eingesetzt. Auf dem Träger 2 wird anschließend eine Solarzellenanordnung 1 platziert, um als Ergebnis die Anordnung aus der 2 zu erhalten. Die Solarzellenanordnung 1 umfasst mehrere Solarzellen 11, welche mittels Verbinderelementen 12 miteinander elektrisch verbunden sind.
Die Solarzellenanordnung 1 wird anschließend mit einer Siegelschicht 5 und einer Barriereschicht 3 bedeckt, wobei die Siegelschicht 5 optional ist und vorzugsweise aus einem anderen Material gebildet ist, als die Barriereschicht 3. Mittels der Barriereschicht 3 und der optionalen Siegelschicht 5 auf der einen Seite sowie dem Träger 2 auf der anderen Seite der Solarzellenanordnung 1 wird eine Verkapselung um die Solarzellenanordnung 1 gebildet. Die Verkapselung umschließt auch die Randbereiche der Solarzellenanordnung 1, was jedoch in der schematischen 3 nicht sichtbar wird.
Auf die Barriereschicht 3 wird dann eine anorganische Oxidschicht 4 abgeschieden, welche die gesamte Barriereschicht 3 auf seiner der Solarzellenanordnung 1 abgewandten Seite bedeckt. Die anorganische Oxidschicht 4 besteht vorzugsweise aus Siliziumoxid (SiO_x) oder Aluminiumoxid (Al_xO_y) und wird bevorzugterweise mittels eines Plasma unterstützten Atomlagenabscheideverfahrens (PEALD - „plasma enhanced atomic layer deposition“) abgeschieden.
In einem weiteren Schritt wird eine Verbinderbox 6 rückseitig auf das fertige Solarmodul angeordnet und mit dem Solarmodul verbunden. Die Verbinderbox 6 dient dazu, eine elektrische Verbindung zwischen den Verbinderelementen 12 der Solarzellenanordnung 1 und einem in den Figuren nicht dargestellten Verbraucher herstellen zu können. Die 5 stellt eine Ausführungsform eines Solarmoduls mit angeschlossener Verbinderbox 6 dar.
Eine alternative Ausführungsform eines Solarmoduls mit anorganischer Oxidschicht 4 ist in der 6 gezeigt. Hier wurde die anorganische Oxidschicht 4 erst nach dem Anordnen der Verbinderbox 6 mit dem Solarmodul auf die Barriereschicht 3 abgeschieden, wobei gleichzeitig die Verbinderbox 6 mit der Oxidschicht 4 bedeckt wird. Alternativ kann die Verbinderbox 6 während des Abscheidungsschrittes durch eine Maske abgedeckt sein, so dass sie nicht mit der Oxidschicht 4 bedeckt wird.
In der in 6 dargestellten Ausführungsform ist auch der Träger 2 mit einer anorganischen Oxidschicht 4 bedeckt. Die anorganische Oxidschicht 4 kann auf beiden Seiten des Solarmoduls gleichzeitig erzeugt werden, das heißt in einem gemeinsamen Abscheideschritt. Wenngleich diese Ausführungsform in den Figuren nicht dargestellt ist, kann die anorganische Oxidschicht 4 auch zweckmäßigerweise auf dem gesamten Solarmodul abgeschieden werden, bevor die Verbinderbox 6 hierauf angeordnet wird. In diesem Fall würde also die anorganische Oxidschicht 4 die gesamte Verkapselung umfassend die Barriereschicht 3 und den Träger 2 im Wesentlichen vollständig bedecken, jedoch nicht die Verbinderbox.
Bezugszeichenliste

1: Solarzellenanordnung
11: Solarzellen
12: Verbinderelemente
2: Träger
21: Trägeroberfläche
3: Barriereschicht
4: anorganische Oxidschicht
5: Siegelschicht
6: Verbinderbox (junction box)

Claims

Solarmodul-Herstellungsverfahren, umfassend die Verfahrensschritte: - Anordnen einer Solarzellenanordnung (1) aus einem oder mehreren miteinander verschalteten Solarzellen (11) auf einem Träger (2); - Bedecken der Solarzellenanordnung (1) mit einer Barriereschicht (3); und - Abscheiden einer anorganischen Oxidschicht (4) auf die Barriereschicht (3), wobei die anorganische Oxidschicht (4) nach dem Bedecken der Solarzellenanordnung (1) mit der Barriereschicht (3) auf die Barriereschicht (3) abgeschieden wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht (3) aus einem organischen Material gebildet wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht (3) aus einem organischen Verbundmaterial gebildet wird.
Herstellungsverfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Barriereschicht (3) Polyvinylfluorid, Ethylenvinylacetat, Polyethylenterephthalat und / oder Ethylen-Tetrafluorethylen umfasst.
Herstellungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufbringen der Barriereschicht (3) eine Siegelschicht (5) auf die Solarzellenanordnung (1) aufgebracht wird.
Solarmodul-Nachbehandlungsverfahren, umfassend die Verfahrensschritte: - Bereitstellen eines Solarmoduls mit einem Träger (2), einer auf dem Träger (2) angeordneten Solarzellenanordnung (1) aus einem oder mehreren miteinander verschalteten Solarzellen (11) und einer die Solarzellenanordnung (1) bedeckenden Barriereschicht (3); und - Abscheiden einer anorganischen Oxidschicht (4) auf die Barriereschicht (3) des bereitgestellten Solarmoduls.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass während des Abscheidens der anorganischen Oxidschicht (4) die Temperatur der Barriereschicht (3) unterhalb von 100°C, 80°C, 60°C, 50°C oder auf etwa Raumtemperatur gehalten wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganische Oxidschicht (4) mittels eines Atomlagenabscheideverfahrens abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganische Oxidschicht (4) Aluminiumoxid, Siliziumoxid, Magnesiumoxid, Titanoxid und /oder Siliziumnitrid umfasst.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganische Oxidschicht (4) mit einer Oxidschichtdicke von unter 500nm, von unter 300nm, oder von etwa 10nm bis 200nm abgeschieden wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganische Oxidschicht (4) derart abgeschieden wird, dass sie die Barriereschicht (3) teilweise oder vollständig bedeckt.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die anorganische Oxidschicht (4) derart abgeschieden wird, dass sie den Träger (2) auf einer der Solarzellenanordnung (1) abgewandten Trägeroberfläche (21) und / oder eine auf der Barriereschicht (3) angeordnete Verbinderbox (6) teilweise oder vollständig bedeckt.