DE102011101021A1

DE102011101021A1 - Fotovoltaikmodul und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE102011101021A1
Application number: DE102011101021A
Authority: DE
Inventors: Lars Meinecke
Original assignee: Eisenmann SE
Current assignee: Eisenmann SE
Priority date: 2011-05-10
Filing date: 2011-05-10
Publication date: 2012-05-10

Abstract

Bei einem Fotovoltaikmodul trägt ein lichtdurchlässiges Trägersubstrat (12) wenigstens eine Fotovoltaikzelle (20; 50), die auf der von dem Trägersubstrat (12) abliegenden Seite von einer Abdeckschicht abgedeckt ist. Die Abdeckschicht ist eine metallische Schicht (28). Ein Verfahren zum Herstellen eines solchen Fotovoltaikmoduls umfasst folgende Schritte: a) Bereitstellen eines Trägersubstrates (12); b) Anordnen von wenigstens einer Fotovoltaikzelle (20; 50) auf dem Trägersubstrat; c) Aufbringen einer metallischen Schicht (28) auf die von dem Trägersubstrat (12) abliegende Seite der wenigstens einen Fotovoltaikzelle (20; 50), so dass diese die wenigstens eine Fotovoltaikzelle abdeckt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Fotovoltaikmodul mit einem lichtdurchlässigen Trägersubstrat, welches wenigstens eine Fotovoltaikzelle trägt, die auf der von dem Trägersubstrat abliegenden Seite von einer Abdeckschicht abgedeckt ist.
Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Fotovoltaikmodul.
Bei vom Markt her bekannten Fotovoltaikmodulen ist die Vorderseite und damit die Lichtseite des Fotovoltaikmoduls üblicherweise durch ein Trägersubstrat aus Glas gebildet, welches eine Vielzahl von Fotovoltaikzellen trägt. Diese sind an der Rückseite des Fotovoltaikmoduls durch eine Abdeckschicht gegen äußere Umwelteinflüsse geschützt, die in der Regel ebenfalls aus Glas ist. Alternativ können auch besondere Folien als Abdeckschicht vorhanden sein.
Die Abdeckschicht dient insbesondere als Gasbarriere für Luftsauerstoff, welcher zu einer beschleunigten Alterung des Fotovoltaikmoduls führen würde, wenn er in das Fotovoltaikmodul eindringen könnte. Ebenso ist es z. B. wichtig, die Fotovoltaikzellen im Inneren des Fotovoltaikmoduls gegen Feuchtigkeit, also gegen das Eindringen von Wasserdampf, zu schützen.
Bei der Herstellung eines Fotovoltaikmoduls werden dessen Komponenten insgesamt in einem Laminierungsprozess derart miteinander verbunden, dass ein verkapseltes Fotovoltaikmodul gebildet ist, bei dem die Fotovoltaikzellen verhältnismäßig gut geschützt sind und ein einwandfreier Langzeitbetrieb unabhängig von den Umweltbedingungen sichergestellt ist, denen das Fotovoltaikmodul ausgesetzt ist bzw. sein kann.
Der Laminierungsvorgang ist jedoch verhältnismäßig aufwendig und störanfällig. Zudem stellt eine Glasschicht auf der Rückseite des Fotovoltaikmoduls einen nicht unerheblichen Kostenfaktor für dessen Herstellung dar.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Fotovoltaikmodul der eingangs genannten Art und ein Verfahren zu dessen Herstellung anzugeben, welche eine Alternative zu bekannten Lösungen bieten und eine wirksame Gasbarriere bewirken sowie kostengünstig sind.
Diese Aufgabe wird bei einem Fotovoltaikmodul der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass
die Abdeckschicht eine metallische Schicht ist.
Es wurde erkannt, dass eine metallische Schicht die gleiche Barrierewirkung haben kann wie beispielsweise eine Glasplatte, wobei die metallische Schicht dünner als eine Glasplatte sein und das Auftragen einer metallischen Schicht mittels bekannter Techniken erfolgen kann. Außerdem bietet eine metallische Schicht auch einen guten Schutz gegen mechanische Beanspruchungen von außen, denen ein Fotovoltaikmodul im Betrieb ausgesetzt sein kann.
Dabei ist es insbesondere günstig, wenn die metallische Schicht als Metallfolie ausgebildet ist. Bei deren Aufbringen kann gegebenenfalls wieder vorteilhaft auf bekannte Laminierungsverfahren zurückgegriffen werden.
Eine gute Schutzwirkung ist gegeben, wenn die metallische Schicht aus Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung der Gruppe 1xxx, oder aus einem CrNi-Stahl, insbesondere aus dem CrNi-Stahl 1.4301, gebildet ist.
Eine sichere Verkapselung der wenigstens eine Fotovoltaikzelle wird erreicht, wenn zwischen dem Trägersubstrat und der metallischen Schicht eine Materialschicht vorhanden ist, welche die metallische Schicht zumindest bereichsweise mit dem Trägersubstrat verbindet.
Dabei kann die Materialschicht aus einem einheitlichen Material oder aus mehreren Materiallagen gebildet sein.
Mehrere Materiallagen werden vorzugsweise dadurch ausgebildet, dass die Materialschicht durch eine oder mehrere Folien gebildet ist.
Ein guter Verbund der beteiligten Schichten kann erzielt werden, wenn die Materialschicht aus einem Thermoplasten, insbesondere aus Polyvinylbutyral PVB, oder aus einem vernetzten Polymer, insbesondere aus Ethylenvinylacetat EVA, oder aus einem Harz, insbesondere aus einem Epoxidharz oder einem Polyurethanharz, oder einer Kombination davon gebildet ist.
Das Fotovoltaikmodul ist vorzugsweise ein Dünnschichtsolarmodul oder ein Wafersolarmodul.
Im Hinblick auf das Verfahren wird die oben genannte Aufgabe dadurch gelöst, dass das Verfahren folgende Schritte umfasst:

a) Bereitstellen eines Trägersubstrates;
b) Anordnen von wenigstens einer Fotovoltaikzelle auf dem Trägersubstrat;
c) Aufbringen einer metallischen Schicht auf die von dem Trägersubstrat abliegende Seite der wenigstens einen Fotovoltaikzelle, so dass diese die wenigstens eine Fotovoltaikzelle abdeckt.

Die Vorteile hiervon und von den nachstehenden Verfahrensmerkmalen stimmen sinngemäß entsprechend mit den oben zum Fotovoltaikmodul erläuterten Vorteilen überein.
Es ist dementsprechend günstig, wenn die metallische Schicht in Form einer Metallfolie aufgebracht wird.
Als Material für die metallische Schicht wird bevorzugt Reinaluminium oder eine Aluminiumlegierung, insbesondere eine Aluminiumlegierung der Gruppe 1xxx, oder ein CrNi-Stahl, insbesondere der CrNi-Stahl 1.4301, verwendet.
Zwischen dem Trägersubstrat und der metallischen Schicht wird vorzugsweise eine Materialschicht erzeugt, welche die metallische Schicht zumindest bereichsweise mit dem Trägersubstrat verbindet.
Die kann vorteilhaft erreicht werden, wenn die Materialschicht vor dem oben genannten Schritt c) durch Aufspritzen oder Drucken eines flüssigen Materials oder durch Tränken oder Tauchen eines Modulzwischenproduktes ohne metallische Schicht in das Material erzeugt wird oder nach dem oben genannten Schritt c) dadurch erzeugt wird, dass ein Raum zwischen dem Trägersubstrat und der metallischen Schicht mit dem Material gefüllt wird.
Alternativ kann die Materialschicht vor dem oben genannten Schritt a) durch Aufbringen einer oder mehrerer Folien gebildet werden.
Vorzugsweise wird die Materialschicht aus einem Thermoplasten, insbesondere aus Polyvinylbutyral PVB, oder aus einem vernetzten Polymer, insbesondere aus Ethylenvinylacetat EVA, oder aus einem Harz, insbesondere aus einem Epoxidharz oder einem Polyurethanharz, oder einer Kombination davon gebildet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend anhand der Zeichnungen näher erläutert. In diesen zeigen:
1 schematisch einen Schnitt eines Dünnschichtsolarmoduls;
2 schematisch einen weiteren Schnitt des Dünnschichtsolarmodul, bei dem Anschlussleitungen zu erkennen sind;
3 eine Ausschnittsvergrößerung des Schnitts von 2;
4 schematisch einen Schnitt eines Wafersolarmoduls.
In den 1 bis 3 ist als erstes Ausführungsbeispiel eines Fotovoltaikmoduls ein Dünnschichtsolarmodul 10 gezeigt, welches ein lichtdurchlässiges plattenförmiges Trägersubstrat 12 umfasst, dass von zwei gegenüberliegenden parallelen planen Hauptflächen 14 und 16 begrenzt ist. Das Trägersubstrat 12 ist beim vorliegenden Ausführungsbeispiel aus einem Flachglas gebildet, wie es an und für sich bekannt ist.
Die erste Hauptfläche 14 des Trägersubstrats 12 definiert eine Vorderseite 18 des Dünnschichtsolarmoduls 10, welche die Lichtseite des Dünnschichtsolarmoduls 10 vorgibt, die bei dessen Gebrauch Licht ausgesetzt ist.
Auf seiner gegenüberliegenden zweiten Hauptfläche 16 trägt das Trägersubstrat 12 eine Vielzahl von Fotovoltaikzellen in Form von Dünnschichtsolarzellen 20, bei denen es sich um alle Arten Dünnschichtsolarzellen handeln kann, die nicht aus einem Siliziumwafer erzeugt werden, wie sie an und für sich bekannt sind.
Von diesen sind in den 1 und 2 drei Dünnschichtsolarzellen 20 im schematischen Schnitt gezeigt, wobei jeweils ausgehend von dem Trägersubstrat 12 eine Frontseitenkontaktschicht 22, eine fotoaktive Absorberschicht 24 sowie eine Rückseitenkontaktschicht 26 angedeutet ist. Die gezeigten Dünnschichtsolarzellen 20 sind in an und für sich bekannter Weise in Reihe geschaltet.
Auf der von dem Trägersubstrat 12 abliegenden Seite ist als Schutzschicht gegen äußere Einflüsse eine Abdeckschicht in Form einer metallischen Schicht 28 aufgebracht und angeordnet, welche die Dünnschichtsolarzellen 20 abdeckt. Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die metallische Schicht 28 als Metallfolie 32 ausgebildet und auf der Rückseite 30 des Dünnschichtsolarmoduls 10 angeordnet. Bei einer Abwandlung kann die metallische Schicht 28 auch durch Aufdampfen eines Metalls erzeugt werden.
Die metallische Schicht 28 oder die Metallfolie 32 können beispielsweise aus Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung der Gruppe 1xxx, oder aus einem CrNi-Stahl, insbesondere aus dem CrNi-Stahl 1.4301, gebildet sein.
Zwischen den Dünnschichtsolarzellen 20 und der Metallfolie 32 verbleibt ein Abstand und von dem Trägersubstrat 12 und der Metallfolie 32 wird ein Voltaikraum 34 begrenzt, in dem die Dünnschichtsolarzellen 20 angeordnet sind.
In dem nicht von den Dünnschichtsolarzellen 20 belegten Volumen dieses Voltaikraumes 34 ist eine Materialschicht 36 aus einem einheitlichen Material 38 vorhanden, das die Dünnschichtsolarzellen 20 abstandsfrei umhüllt und sowohl die nicht von den Dünnschichtsolarzellen 20 abgedeckten Bereiche der zweiten Hauptfläche 16 des Trägersubstrats 12 als auch die Metallfolie 32 berührt. Die Materialschicht 36 hat adhäsive Eigenschaften, wodurch sie die Metallfolie 32 zumindest bereichsweise mit dem Trägersubstrat 12 verbindet. Darüber hinaus dient die Materialschicht 36 auch als elektrische Isolationsschicht.
Das Material 38 kann z. B. in flüssiger Form durch Aufspritzen oder Drucken auf ein Modulzwischenprodukt ohne die Metallfolie 32, also bevor die metallische Schicht 28 bzw. die Metallfolie 32 aufgebracht wird, durch Tränken oder Tauchen eines solchen Modulzwischenproduktes in das Material 38 oder auch dadurch aufgetragen werden, dass der Voltaikraum 34 bei bereits vorhandener Metallfolie 32 mit dem Material 38 gefüllt wird.
Der Aufbau des Dünnschichtsolarmoduls 10 erfolgt im Übrigen wenigstens zum Teil mit Hilfe von an und für sich bekannten Laminierungstechniken, auf welche hier nicht näher eingegangen werden muss.
Das in flüssiger Form aufgetragene Material 38 kann dann abhängig von seinen Eigenschaften durch Strahlung, beispielsweise durch UV-Strahlung, thermisch oder auch durch Initiieren einer chemischen Reaktion teilweise und zumindest dann vollständig gehärtet werden, nachdem die Metallfolie 32 aufgebracht worden ist, oder in einem Zwischenschritt gehärtet oder angehärtet wird, bevor die Metallschicht mit einer adhäsiven Schicht in Form eines Klebstoffs aufgebracht wird.
Beispielsweise kann als Material 38 ein Harz verwendet werden, wobei sich in der Praxis z. B. Epoxidharze bewährt haben.
Alternativ kann die Materialschicht 36 auch durch eine einlagige Folie oder durch mehrere Materiallagen ausgebildet sein und beispielsweise in Form einer mehrlagigen Folie oder in Form von mehreren aufeinander geschichteten Folien vorliegen, welche auf das Trägersubstrat 12 mit den Dünnschichtsolarzellen 20 aufgetragen werden. Derartige Folien können beispielsweise aus einem Thermoplasten, insbesondere aus Polyvinylbutyral PVB, oder aus einem vernetzten Polymer, insbesondere aus Ethylenvinylacetat EVA, oder aus einem Harz, insbesondere aus einem Epoxidharz oder einem Polyurethanharz, gebildet sein und auf das Trägersubstrat 12 mit den Dünnschichtsolarzellen 20 auflaminiert werden. Dabei können auch mehrere Schichten aus Folien gebildet werden, die aus unterschiedlichen Materialien bestehen.
Wie in den 2 und 3 zu erkennen ist, umfasst das Dünnschichtsolarmodul 10 eine erste Anschlussleitung 40 und eine zweite Anschlussleitung 42. Die erste Anschlussleitung 40 ist mit der Frontseitenkontaktschicht 22 der in den 1 und 2 ganz links gezeigten Dünnschichtsolarzelle 20 verbunden, wogegen die zweite Anschlussleitung 42 mit der Rückseitenkontaktschicht 26 der in den 1 und 2 ganz rechts gezeigten Dünnschichtsolarzelle 20 verbunden ist.
Mehrere derartiger Reihenarrays aus drei Dünnschichtsolarzellen 20 können beispielsweise dann parallel geschaltet werden. Alternativ können auch alle vorhandenen Dünnschichtsolarzellen 20 in Reihe geschaltet werden. Die Verschaltung der einzelnen Dünnschichtsolarzellen 20 kann innerhalb des Voltaikraums 34 oder außerhalb desselben erfolgen. Je nach Art der Verschaltung können lediglich zwei Anschlussleitungen 40, 42 oder auch mehrere Anschlussleitungen 40, 42 nach außen ragen.
Die Anschlussleitungen 40 und 42 sind durch Kanäle 44 bzw. 46 geführt, die durch die Metallschicht 32 und durch die Materialschicht 36 hindurch zu den jeweiligen Kontaktstellen der betreffenden Dünnschichtsolarzellen 20 führen. Diese Kanäle 44, 46 werden beim Aufbau des Dünnschichtsolarmoduls 10 eingeplant, indem dort beispielsweise zunächst eine Maske vorgesehen wird, welche nach dem Aufbau des Dünnschichtsolarmoduls 10 wieder entfernt wird.
Durch die Metallfolie 32 ist eine wirksame Gasbarriere auf der Rückseite 30 des Dünnschichtsolarmoduls 10 ausgebildet, die insbesondere verhindert, dass Luftsauerstoff in den Voltaikraum 34 gelangt, der gegebenenfalls zu den Dünnschichtsolarzellen 20 und deren Kontaktschichten 22, 26 diffundieren und diese korrodieren bzw. zerstören könnte. Ebenso verhindert die Metallfolie das Eindringen von Feuchtigkeit und sonstigen Gasen.
Die Metallfolie 32 schützt das Dünnschichtsolarmodul 10 außerdem auf dessen Rückseite 30 effektiv gegen mechanische Einflüsse.
In 4 ist als zweites Ausführungsbeispiel eines Fotovoltaikmoduls ein Wafersolarmodul 48 gezeigt, bei dem Komponenten, die denjenigen des Dünnschichtsolarmoduls 10 entsprechen, dieselben Bezugszeichen tragen.
Das Wafersolarmodul 48 unterscheidet sich von dem Dünnschichtsolarmodul 10 im Wesentlichen dadurch, dass anstelle der Dünnschichtsolarzellen 20 Wafersolarzellen 50 vorhanden sind, die in an und für sich bekannter Weise aus Siliziumwafern hergestellt werden und nur sehr schematisch dargestellt sind. Die Wafersolarzellen 50 sind mittels ebenfalls nur schematisch angedeuteter Leiterbahnen 52 miteinander verschaltet.
In entsprechender Weise wie bei dem Dünnschichtsolarmodul 10 sind bei dem Wafersolarmodul 48 die Wafersolarzellen 50 auf der von dem Trägersubstrat 12 abliegenden Seite von der Metallschicht 28 abgedeckt, welche wieder die Rückseite 30 des Wafersolarmoduls 48 definiert und erneut als Metallfolie 32 ausgebildet ist.
Das in diesem Zusammenhang oben zu dem Dünnschichtsolarmodul 10 und zu möglichen Abwandlungen desselben Gesagte gilt für das Wafersolarmodul 48 sinngemäß entsprechend.
Sowohl bei dem Dünnschichtsolarmodul 10 als auch bei dem Wafersolarmodul 48 kann die metallische Schicht 28 bzw. die Metallfolie 32 noch ergänzend durch einen Schutzlack nach außen gegen Umwelteinflüsse geschützt werden.

Claims

Fotovoltaikmodul mit einem lichtdurchlässigen Trägersubstrat, welches wenigstens eine Fotovoltaikzelle (20; 50) trägt, die auf der von dem Trägersubstrat (12) abliegenden Seite von einer Abdeckschicht abgedeckt ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdeckschicht eine metallische Schicht (28) ist.
Fotovoltaikmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (28) als Metallfolie (32) ausgebildet ist.
Fotovoltaikmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (28) aus Reinaluminium oder einer Aluminiumlegierung, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung der Gruppe 1xxx, oder aus einem CrNi-Stahl, insbesondere aus dem CrNi-Stahl 1.4301, gebildet ist.
Fotovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Trägersubstrat (12) und der metallischen Schicht (28) eine Materialschicht (36) vorhanden ist, welche die metallische Schicht (28) zumindest bereichsweise mit dem Trägersubstrat (12) verbindet.
Fotovoltaikmodul nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (36) aus einem einheitlichen Material (38) oder aus mehreren Materiallagen gebildet sind.
Fotovoltaikmodul nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (36) durch eine oder mehrere Folien gebildet ist.
Fotovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (36) aus einem Thermoplasten, insbesondere aus Polyvinylbutyral PVB, oder aus einem vernetzten Polymer, insbesondere aus Ethylenvinylacetat EVA, oder aus einem Harz, insbesondere aus einem Epoxidharz oder einem Polyurethanharz, oder einer Kombination davon gebildet ist.
Fotovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Fotovoltaikmodul ein Dünnschichtsolarmodul (10) oder ein Wafersolarmodul (48) ist.
Verfahren zum Herstellen eines Fotovoltaikmoduls nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit folgenden Schritten: a) Bereitstellen eines Trägersubstrates (12); b) Anordnen von wenigstens einer Fotovoltaikzelle (20; 50) auf dem Trägersubstrat; c) Aufbringen einer metallischen Schicht (28) auf die von dem Trägersubstrat (12) abliegende Seite der wenigstens einen Fotovoltaikzelle (20; 50), so dass diese die wenigstens eine Fotovoltaikzelle abdeckt.
Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die metallische Schicht (28) in Form einer Metallfolie (32) aufgebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass als Material für die metallische Schicht (28) Reinaluminium oder eine Aluminiumlegierung, insbesondere eine Aluminiumlegierung der Gruppe 1xxx, oder ein CrNi-Stahl, insbesondere der CrNi-Stahl 1.4301, verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Trägersubstrat (12) und der metallischen Schicht (28) eine Materialschicht (36) erzeugt wird, welche die metallische Schicht (28) zumindest bereichsweise mit dem Trägersubstrat (12) verbindet.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (36) vor Schritt c) in Anspruch 9 durch Aufspritzen oder Drucken eines flüssigen Materials (38) oder durch Tränken oder Tauchen eines Modulzwischenproduktes ohne metallische Schicht in das Material (38) erzeugt wird oder nach Schritt c) in Anspruch 9 dadurch erzeugt wird, dass ein Raum (34) zwischen dem Trägersubstrat (12) und der metallischen Schicht (28) mit dem Material (38) gefüllt wird.
Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (36) vor Schritt c) in Anspruch 9 durch Aufbringen einer oder mehrerer Folien gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialschicht (36) aus einem Thermoplasten, insbesondere aus Polyvinylbutyral PVB, oder aus einem vernetzten Polymer, insbesondere aus Ethylenvinylacetat EVA, oder aus einem Harz, insbesondere aus einem Epoxidharz oder einem Polyurethanharz, oder einer Kombination davon gebildet wird.