DE102013220802A1

DE102013220802A1 - Solarmodul und Verfahren zum Herstellen eines Solarmoduls

Info

Publication number: DE102013220802A1
Application number: DE201310220802
Authority: DE
Inventors: Ingo Ramsteiner; Tim Boescke; Andre Loeffler; Jan Lossen; Ingmar Zink; Markus Welsch
Original assignee: SolarWorld Industries Thueringen GmbH
Current assignee: SolarWorld Industries GmbH
Priority date: 2013-10-15
Filing date: 2013-10-15
Publication date: 2015-04-16

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Solarmodul (100) mit zumindest einer Solarzelle (105) und einem lichtdurchlässigen Abdeckelement (115), das auf einer Lichtaufnahmeseite der Solarzelle (105) die Solarzelle (105) zumindest teilweise überdeckt. Ferner umfasst das Solarmodul (100) zumindest ein Reflektorelement (325), welches zumindest teilweise in einem Reflektorbereich neben der Solarzelle (105) angeordnet ist, wobei das Reflektorelement (325) im Reflektorbereich (330) an einer dem Abdeckelement (115) zugewandten Seite zumindest eine Reflektorelementstruktur (320) mit einer Licht reflektierenden Reflektorelementoberfläche aufweist, wobei die Reflektorelementstruktur (320) an zumindest einer Reflektorelementoberfläche (332) eine Reflektorelementoberflächennormale (315) aufweist, die in eine andere Richtung weist, als eine Oberflächennormale (300) des Abdeckelementes (115).

Description

Stand der Technik
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Solarmodul und ein Verfahren zum Herstellen eines Solarmoduls.
Bei kristallinen Fotovoltaik-Modulen wird zwischen den Solarzellen, den Zellstrings und zwischen Modulrahmen und den Solarzellen ein Versatz gelassen. Durch diesen Versatz und durch die pseudoquadratische Form der Solarzellen ergeben sich somit Flächen (im Weiteren als freie Flächen bezeichnet) auf dem Modul, welche nicht von Solarzellen bedeckt sind.
Durch das Frontglas und dem Verkapselungsmaterial hindurch ist auf diesen freien Flächen die Rückseitenfolie (auch Backsheet, Trägerfolie oder Rückseiten-Laminat genannt) zu sehen. Dabei handelt es sich in der Regel, jedoch nicht zwangsläufig, um eine witterungsfeste Kunststoffverbundfolie aus z. B. Polyvinylfluorid und Polyester.
Die Rückseitenfolie dient als Schutz über die gesamte Lebensdauer des Solarmoduls. Aus diesem Grund zeichnet sie sich unter anderem durch hohe Festigkeit, elektrische Isolationsfähigkeit und UV-Beständigkeit aus und dient als Feuchtigkeitssperre.
Rückseitenfolien gibt es in verschiedenen Ausführungen. Die „innere“ Oberfläche, welche den Solarzellen zugewandt ist, und die „äußere“ Oberfläche, welche die Rückseite des Solarmoduls darstellt, können dabei verschiedene Beschaffenheit und Farben haben. Gängige Rückseitenfolien gibt es hierbei beispielsweise in den folgenden Farbkombinationen:
(Innere Oberfläche / Äußere Oberfläche) Weiss/Schwarz, Schwarz/Schwarz, Weiss/Weiss, Transparent. Daneben sind auch andere Farben bzw. Farbkombinationen in beliebiger Weiße theoretisch möglich. Die Oberflächenbeschaffenheit kann dabei variieren zwischen beispielsweise matt, rau, transparent und glänzend.
Die US 2012/0145222 A1 beschreibt ein verbessertes flaches Plattenkonzentrations-Fotovoltaikpanel.
Offenbarung der Erfindung
Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier beschriebenen Ansatz ein Solarmodul und ein Verfahren zur Herstellung desselben vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft ein Solarmodul mit folgenden Merkmalen:

– zumindest einer Solarzelle;
– einem lichtdurchlässigen Abdeckelement, das auf einer Lichtaufnahmeseite der Solarzelle die Solarzelle zumindest teilweise überdeckt; und
– zumindest einem Reflektorelement, welches zumindest teilweise in einem Reflektorbereich neben der Solarzelle angeordnet ist, wobei das Reflektorelement im Reflektorbereich an einer dem Abdeckelement zugewandten Seite zumindest eine Reflektorelementstruktur mit einer Licht reflektierenden Reflektorelementoberfläche aufweist, wobei die Reflektorelementstruktur an zumindest einer Reflektorelementoberfläche eine Reflektorelementoberflächennormale aufweist, die in eine andere Richtung weist, als eine Oberflächennormale des Abdeckelementes.

Unter einer Solarzelle kann ein elektronisches Element verstanden werden, welches in der Lage ist, Licht in elektrische Spannung, Energie oder Leistung umzuwandeln. Unter einem Abdeckelement kann ein Bauelement verstanden werden, welches für sichtbares Licht transparent ist. Dabei kann das Abdeckelement beispielsweise aus einem starren bzw. nicht verformbaren Material wie beispielsweise Glas bestehen. Unter einem Reflektorelement kann beispielsweise ein mechanisches Element verstanden werden, welches zumindest im Bereich der Reflektorelementstruktur nicht eben oder planar ist, sodass Licht, welches beispielsweise durch das Abdeckelement im Reflektorbereich auf die Reflektorelementstruktur fällt, in eine andere Richtung wegreflektiert wird, bezogen auf die Einfallsrichtung des Lichts auf die in Reflektorelementstruktur. Unter einer Reflektorelementoberflächennormale ist eine Normale auf einem Oberflächensegment des Reflektorelements im Bereich der Reflektorelementstruktur zu verstehen. Unter einer Oberflächennormale des Abdeckelements ist eine Normale auf einem Oberflächenabschnitt des Abdeckelements zu verstehen.
Der hier vorgestellte Ansatz basiert auf der Erkenntnis, dass Licht, welches in dem Solarmodul nicht direkt auf die Solarzelle trifft, sondern an der Solarzelle vorbei im Reflektorbereich in das Solarmodul eindringt, auf die Licht reflektierende Reflektorelementoberfläche trifft und hierbei abgelenkt wird, sodass es (beispielsweise durch eine weitere Reflexion am Abdeckelement) auf die Solarzelle reflektiert werden kann. Hierdurch steht das Licht, welches im Reflektorbereich auf das Solarmodul trifft noch zur Wandlung in elektrische Energie zur Verfügung.
Ein Solarmodul gemäß dem hier vorgestellten Ansatz bietet somit den Vorteil eines erhöhten Wirkungsgrades, da Licht, welches im Reflektorbereich auf das Solarmodul trifft, zur Bereitstellung von elektrischer Energie genutzt werden kann. Gegenüber Ansätzen nach Stand der Technik, bei denen das im Reflektorbereich eintreffende Licht nicht mehr weiter genutzt werden kann, erweist sich das hier vorgestellte Solarmodul als besonders effizient. Dadurch, dass das Reflektorelement an einer dem Abdeckelement zugewandten Seite die Reflektorelementstruktur mit der Licht reflektierenden Reflektorelementoberfläche aufweist, lässt sich zugleich ein sehr dünnes Reflektorelement schaffen, welches technisch einfach und Material sparend hergestellt werden kann.
Günstig ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Reflektorelement an der Reflektorelementstruktur eine Erhebung und/oder eine Vertiefung in der Reflektorelementoberfläche aufweist. Eine solche Ausführungsform eines Solarmoduls bietet den Vorteil, dass die Reflektorelementstruktur technisch sehr einfach hergestellt werden kann, sodass sich auch das Solarmodul mit dem hohen Wirkungsgrad kostengünstig herstellen lässt.
Besonders vorteilhaft ist ferner eine Ausführungsform eines Solarmoduls, bei dem die Reflektorelementoberfläche ausgerichtet ist, um Licht bei Einfall aus Richtung des Abdeckelementes in Richtung des Abdeckelements zu reflektieren. Dabei kann insbesondere der vorteilhafteste Winkel zwischen der Reflektorelementoberflächennormale und der Oberflächennormale des Abdeckelementes von einem Brechungsindex des Materials des Abdeckelementes abhängig sein. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass in den Reflektorbereich einfallendes Licht präzise reflektiert oder umgelenkt werden kann, sodass es auf die Solarzelle fällt. Insbesondere kann diese Reflexion oder Umlenkung sehr einfach durch die Wahl des Winkels zwischen der Reflektorelementoberflächennormale und der Oberflächennormale des Abdeckelementes und/oder die Wahl eines Brechungsindexes des Materials des Abdeckelements und/oder ein Verhältnis zwischen den Brechzahlen des Materials des Abdeckelements und eines das Abdeckelement umgebenden Gases beeinflusst werden.
Um möglichst viel im Reflektorbereich auf das Solarmodul eintreffende Licht zu einer oder mehreren Solarzellen reflektieren zu können, kann gemäß einer besonders günstigen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung das Reflektorelement im Bereich der Reflektorelementstruktur zumindest eine weitere Licht reflektierende Reflektorelementoberfläche aufweisen, wobei die zumindest eine weitere Reflektorelementoberfläche eine weitere Reflektorelementoberflächennormale aufweist, die in eine andere Richtung weist, als die Oberflächennormale des Abdeckelementes oder die Reflektorelementoberflächennormale.
Technisch einfach und somit vorteilhaft herstellen lässt sich eine Reflektorelementstruktur, die eine Mehrzahl von Teilstrukturen aufweist, insbesondere wobei die Teilstrukturen in Zeilen angeordnet sind, insbesondere wobei die Teilstrukturen der einzelnen Zeilen ferner in Spalten und/oder gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann die zumindest eine Reflektorelementstruktur einen dreieckförmigen oder runden Querschnitt aufweisen, insbesondere wobei der Querschnitt der Reflektorelementstruktur eine Halbkreisform oder eine Form eines Halbovals oder eine Form eines gleichschenkligen Dreiecks aufweist. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die Reflektorelementstruktur mittels technisch sehr einfachen Herstellungsverfahren wie beispielsweise einem Prägen oder Walzen eines Bleches oder einer Folie hergestellt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Reflektorelementstruktur die Solarzelle zumindest teilweise umlaufend umgibt. In einer solchen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein hoher Anteil der in einem unmittelbaren Randbereich der Solarzelle im Reflektorbereich eintreffenden Lichtstrahlen (beispielsweise unter Vermittlung des Abdeckelements) wieder auf die Solarzelle zurückreflektiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ferner zumindest eine zweite Solarzelle vorgesehen sein, wobei die zumindest zweite Solarzelle derart in Bezug zur Solarzelle angeordnet ist, dass sich der Reflektorbereich zwischen der zweiten Solarzelle und der Solarzelle erstreckt. In einer solchen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung lässt sich Licht, welches in dem Zwischenraum zwischen zwei Solarzellen auf das Solarmodul eintrifft, reflektieren und günstigerweise zur Erhöhung des Wirkungsgrads des Solarmoduls nutzen.
Technisch besonders einfach herstellen lässt sich eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Reflektorelement in einer anderen Ebene angeordnet ist, als das Abdeckelement und die zumindest eine Solarzelle, insbesondere wobei die Solarzelle in einer Ebene angeordnet ist, die sich zwischen dem Reflektorelement und der Abdeckschicht erstreckt. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass die Abmessungen des Reflektorelements so gewählt werden können, dass nicht eine präzise Einpassung des Reflektorelements neben der Solarzelle erforderlich ist, sodass eine Erhöhung der Flexibilität in Bezug auf Toleranzabmessungen beim Zusammenbauen des Solarmoduls aus den Einzelteilen möglich wird.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann sich das Reflektorelement zumindest teilweise in einen Bereich hinein erstrecken, der von der Solarzelle überlappt ist. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass beispielsweise das Reflektorelement als durchgehende Lage des Solarmoduls ausgeführt sein kann, sodass ein Schritt des Zuschneidens des Reflektorelements entfallen kann. Hierdurch lassen sich die Herstellungskosten gering halten.
Besonders stabil ist eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der das Reflektorelement auf einem Trägerelement laminiert ist.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung können das Reflektorelement und die Solarzelle in einer gemeinsamen Solarzellenebene angeordnet sein, die von einer Abdeckelementebene beabstandet ist, in der das Abdeckelement angeordnet ist. Eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung bietet den Vorteil, dass so sehr dünne und somit platzsparende Solarmodule hergestellt werden können.
Ferner schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Verfahren zum Herstellen eines Solarmoduls, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist:

– Bereitstellen eines Abdeckelementes, zumindest einer Solarzelle und eines Reflektorelementes, wobei das Reflektorelement in einem Reflektorbereich eine in dem Reflektorelement ausgebildete Reflektorstruktur mit einer Licht reflektierenden Reflektorelementoberfläche aufweist; und
– Anordnen des Abdeckelementes, der zumindest einen Solarzelle und des Reflektorelementes derart, dass die Reflektorstruktur im Reflektorbereich neben der Solarzelle angeordnet wird, wobei ferner das Reflektorelement derart angeordnet wird, dass das Reflektorelement im Reflektorbereich an einer dem Abdeckelement zugewandten Seite zumindest die Reflektorelementstruktur aufweist, wobei die zumindest eine Reflektorelementoberfläche derart angeordnet wird, dass eine Reflektorelementoberflächennormale in eine andere Richtung weist, als eine Oberflächennormale des Abdeckelementes.

Auch durch eine solche Ausführungsform der vorliegenden Erfindung lassen sich die Vorteile des hier vorgestellten Ansatzes realisieren.
Ferner kann gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung im Schritt des Bereitstellens ein Reflektorelement bereitgestellt werden, in welches die Reflektorstruktur eingeprägt wurde. Hierdurch lässt sich ein sehr kostengünstiges Solarmodul herstellen, da das zu verwendende Reflektorelement technisch sehr einfach und preiswert hergestellt werden kann.
Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
1 eine Schnittdarstellung eines Solarmoduls;
2 eine Darstellung eines kristallinen Fotovoltaik-Moduls;
3 eine Schnittdarstellung eines Solarmoduls gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung zur Verdeutlichung der Winkel und des Lichtweges, wobei der Abstand zwischen den reflektierenden Flächen und der beispielhaften Glas/Luft-Grenzfläche nicht maßstabsgetreu ist;
4A–F Querschnittsdarstellungen von Solarmodulen gemäß Ausführungsbeispielen der Erfindung zur Realisierung der Struktur des Reflektionselementes;
5A–B perspektivische Ansichten von Ausführungsbeispielen einer reflektierenden Struktur, die beispielsweise aus v-förmigen Rinnen, Pyramiden oder invertierten Pyramiden besteht;
6 ein Ausführungsbeispiel eines Solarmoduls mit einer selektiven Strukturierung mittels Linienstruktur;
7A–B Querschnittsdarstellungen von Ausführungsbeispielen eines Solarmoduls;
8A–B unterschiedliche Ansichten einer Pyramidenstruktur auf dem Reflektionselement;
9A–B unterschiedliche Ansichten einer Pyramidenstruktur mit Versatz auf dem Reflektionselement;
10A–D unterschiedliche Ansichten einer Linienstruktur auf dem Reflektionselement mit gleichschenkligen Dreiecken oder variablen Winkeln und Seitenlägen;
11A–C unterschiedliche Ansichten einer kreisförmigen Struktur auf dem Reflektionselement;
12A–B unterschiedliche perspektivische Ansichten einer Orientierung der Reflektionsstruktur im Reflektionsbereich;
13 eine Querschnittsdarstellung einer schematischen Herstellungsweise zum Einprägen der Reflektionsstruktur auf das Reflektionselement oder die Rückseitenfolie;
14 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
15A–D unterschiedliche Querschnittsansichten von Solarmodulen gemäß weiteren Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
Einfallendes Licht bzw. die elektromagnetische Strahlung (im weiteren nur noch als Strahlung bezeichnet), welche bei den freien Flächen auf die Rückseitenfolie trifft, sowie die Strahlung welche auf die Zell- und Querverbinder fällt, trägt gemäß Ansätzen im Stand der Technik nicht direkt zur Generation von Ladungsträgern und somit nicht zur Stromerzeugung eines Solarmoduls bei. Je nach Oberflächenbeschaffenheit und Farbe werden die Strahlen in unterschiedlichem Maße von der Rückseitenfolie (und den Zell- und Querverbindern) absorbiert oder diffus reflektiert.
Bei monofacialen Modulen wird somit oft weiße oder schwarze Rückseitenfolie (z. B. Tedlar) verwendet. Weiße Folien sorgen für eine Rückstreuung von Licht, das im Bereich der Zellzwischenräume oder dem Randbereich in das Modul einfällt. Nach der Rückstreuung an der weißen Folie fällt dieses Licht durch interne Reflexion an der Grenzfläche zwischen dem Frontglas und der Luft teilweise auf die Solarzellen und trägt so zur Stromerzeugung bei. Schwarze Folien haben den Vorteil, dass sie zu einem gleichmäßigen Erscheinungsbild der Module beitragen, da die ebenfalls schwarzen Solarzellen sich dann nicht mehr vom Hintergrund abheben. Solche Module werden oft als besonders ästhetisch empfunden. Bifaciale Module mit transparenter Rückseite (Folie oder Glas) profitieren bei der Stromerzeugung zwar vom Lichteinfang durch die Rückseiten der Solarzelle. Gegenüber monofacialen Modulen mit weißer Rückseite weisen sie aber den Nachteil auf, dass Licht, welches von vorne eintritt und auf die Zellzwischenräume und den Randbereich trifft durch die transparente Rückseite das Modul verlässt und damit nicht zur Stromerzeugung beträgt. Gegenüber Modulen mit weißer Rückseite gehen in einem typischen 60-Zeller Modul bei vorderseitiger Beleuchtung so 1W bis 5 W Leistung verloren. Gegenüber monofacialen Modulen mit schwarzer Rückseite weisen bifaciale Module mit transparenter Rückseite den Nachteil eines weniger gleichmäßigen Erscheinungsbildes und damit einer reduzierten Ästhetik auf.
1 zeigt eine Querschnittsdarstellung eines Solarmoduls 100 aus kristallinen Solarzellen 105 nach Stand der Technik. Dieses Solarmodul 100 ist als Laminatverbund 110 aufgebaut, bestehend aus einem Frontglas als Abdeckelement 115, den (Solar-)Zellen 105, Laminierfolien 120 und 125, einer Backsheet-Folie 130, möglicherweise weiteren Folien und manchmal einer zweiten, rückseitigen Glasplatte (die nicht in der 1 gezeigt ist). Die Laminierfolien 120 und 125 bestehen üblicherweise aus Ethylenvinylacetat (EVA) oder Silikon und bilden im Laminat ca. 0,5mm dicke, glasklare Schichten, deren Brechzahl nahezu identisch mit der des Glases aus dem Abdeckelement 115 ist. Das Backsheet 130 dient in erster Linie dem Witterungsschutz und der elektrischen Isolation und kann beispielsweise aus Polyvinylfluorid, Polyethylenterephthalat (PET) oder komplexeren Mehrlagensystemen bestehen.
Da die Zellen 105 aus verschiedenen Gründen nicht flächendeckend, sondern in einem gewissen Abstand zueinander (typischerweise 2 bis 5mm) angeordnet sind, ist an diesen Stellen (und auch am Rand der Modulfläche) das Backsheet 130 von außen sichtbar. Damit kommt ihm eine zentrale Bedeutung für die Moduloptik zu und seine Farbgebung ist sorgfältig abzuwägen.
So wird ein schwarzes Backsheet 130 von vielen Kunden wegen der homogeneren Erscheinung des Moduls 100 bevorzugt, da anders als bei einem weißen Backsheet 130, wie es in der Darstellung aus 2 wiedergegeben ist, die einzelnen Zellen kaum erkennbar sind. In der Darstellung aus 2 sind auch die Abstände der einzelnen Solarzellen 105 in cm angegeben, wobei die Solarzellen untereinander mit elektrischen Verbindern 200 elektrisch verbunden und innerhalb eines Modulrahmens 201 angeordnet sind.
Abseits ästhetischer Erwägungen hat die Farbe aber auch einen gewissen Einfluss auf die Moduleffizienz, wie in 1 illustriert: Wird einfallendes Sonnenlicht 135 an einem weißen Backsheet 130 in hinreichend flachem Winkel zur Moduloberfläche 140 in einem reflektierten Strahl 145 gestreut, kann es nach Totalreflexion an der Glas- bzw. Moduloberfläche 140 auf eine Solarzelle 105 gelangen. Unter steilerem Winkel gestreutes Licht kann an der Oberfläche 140 in einem weiteren reflektierten Strahl 150 entweichen.
Der in dem hier beschriebenen Ansatz vorgestellte Lichtführungsmechanismus (Streuung an einem weißen Backsheet 130 und anschließende Totalreflexion an der Glasoberfläche 140) kann zu einem signifikanten Leistungsgewinn des Moduls 100 führen. In Modulen der Anmelderin haben die Zellen 105 einen Abstand von 2 bis 3 mm. Zusammen mit den abgeschrägten Zell-Ecken machen die Zwischenräume ca. 4% der Modulfläche aus. Komplett auf die Zellen 105 umgeleitet würde die dort auftreffende Lichtintensität die Modulleistung um mehr als einen halben Prozentpunkt steigern. In diesem Zusammenhang sei angemerkt, dass 4% mehr Licht auf den Zellen 105 ein Modul mit 16% Effizienz auf 1,04 × 16% = 16,64% steigert.
Eine komplette Umleitung ist aber nach Stand der Technik nicht möglich, weil nur Teile des gestreuten Lichts unterhalb des Totalreflexionswinkels auf die Glasoberfläche 140 treffen, der Rest aber weitgehend verloren geht. Nach einer groben Abschätzung geht bei Lambertschem Streuverhalten etwa die Hälfte des Backsheet-Streulichts verloren. Außerdem sorgt diese unvollständige Umleitung dafür, dass das Backsheet 130 dem Betrachter durch das Glas des Abdeckelementes 115 hindurch immer noch relativ hell erscheint und einen hohen Kontrast zu den schwarzen Zellen 105 bildet, was Kunden als ästhetischen Mangel empfinden.
Die diffus reflektierte Strahlung wird nur zu einem geringen Teil an der Grenzfläche 140 Glas/Luft reflektiert und gelangt so in die Solarzellen 105. Die auf diese Weise reflektierte Strahlung trägt indirekt zur Erzeugung des elektrischen Stroms bei. Ein wichtiger Aspekt des vorliegenden Ansatzes ist es, den Anteil der über das Glas bzw. das Abdeckelement 115 zurück auf die Solarzelle(n) 105 reflektierten Strahlung 145 zu erhöhen. Ein weiterer wichtiger Aspekt des hier vorgestellten Ansatzes ist darin zu sehen, gleichzeitig den genannten Lichtführungsmechanismus, sowie das Erscheinungsbild des Moduls 100 zu verbessern.
Der hier vorgestellte Ansatz ermöglicht es, die statistische, diffuse Lichtstreuung an einem (beispielsweise weißen) Backsheet 130 durch die deterministische Reflektion an geeigneten (schräg zur Modulfläche bzw. zur Oberfläche 140 des Abdeckelementes 115 stehenden) Spiegelflächen zu ersetzen. Bei geeigneter Ausführung dieser Strukturen wird das in die Zellzwischenräume (als Reflexionsbereich) fallende Licht zu einem Großteil in einen eng begrenzten Raumwinkel reflektiert, der an der Glasoberfläche die Bedingungen für Totalreflexion erfüllt. Erster Vorteil dieses Ansatzes ist eine signifikante Verstärkung der Lichtintensität auf den Zellen 105. Zweiter Vorteil dieses Ansatzes ist, dass der Betrachter anstelle der Zellzwischenräume Spiegelbilder der benachbarten Zellflächen wahrnimmt, was dem Modul 100 ein sehr homogenes Erscheinungsbild verleiht.
Ausgehend von dem in 1 skizzierten Stand der Technik eines Solarmoduls 100 erscheint eine Anbringung der im Folgenden ausgeführten Elemente zwischen der zweiten EVA-Folie 125 und dem Backsheet 130, bzw. als Bestandteil (Profil/Relief) des Backsheets 135 selbst besonders vorteilhaft. Erstens wird so der nach Stand der Technik bewährte Teil des Laminats 110 [Glas/EVA/Zelle/EVA] nicht verändert und weder seine optische Qualität noch seine Witterungsbeständigkeit beeinträchtigt. Zweitens ist es insbesondere bei positionierungsbedürftigen Elementen fertigungstechnisch einfacher, dies nach Platzierung der Zellen 105 zu tun (das Modul wird vom Frontglas bzw. dem Abdeckelement 115 her aufgebaut). Drittens ist sichergestellt, dass die Elemente unter keinen Umständen Zellen 105 abschatten können.
Ungeachtet dessen gilt für die meisten hier skizzierten Maßnahmen, dass auch eine Anbringung zwischen Glas als Abdeckelement 115 und erster EVA-Schicht 120 oder zwischen beiden EVA-Schichten 120 und 125 denkbar ist.
Gemeinsam ist den im Folgenden vorgestellten Ansätzen ein Grenzflächenprofil bestehend aus gegen die Modulebene bzw. eine Ebene einer Oberfläche der Abdeckschicht 115 geneigten, reflektierenden Flächen, wie sie in der schematischen Querschnittsdarstellung aus der 3 eines Solarmoduls 100 in dem hier vorgestellten Ansatz wiedergegeben ist. Dabei weist eine Normale 300 auf eine Oberfläche 140 des Abdeckelementes 115 in eine andere Richtung (d. h. unter Einschluss eines von Null verschiedenen Winkels 310) als eine Reflektionselementoberflächennormale 315. Die Reflektionselementoberflächennormale 315 bildet hierbei eine Normale einer Reflektionselementstruktur 320 eines Reflektionselementes 325, welches in einem Reflektionsbereich 330 auf dem Reflektionselement 325 aufgebracht oder eingebracht ist. Der Neigungswinkel 310 ist so zu wählen, dass an diesen Flächen (Reflektionselementoberflächen 332) reflektierte Lichtstrahlen 335 an der Glasoberfläche bzw. der Oberfläche 140 des Abdeckelementes 115 die Bedingung für Totalreflektion erfüllen, dass also ihr Winkel 340 zur Modulnormalen 300 mehr als arcsin(1/n) beträgt, wobei n die Brechzahl des Glases bzw. des Materials des Abdeckelementes 115 bezeichnet. Für n = 1,5 (ein typischer Wert für Glas) liegt der Grenzwinkel für Totalreflexion bei 41,8°. Für einen senkrecht zur Modulebene einfallenden Lichtstrahl 345 sollte der Neigungswinkel 310 der reflektierenden Fläche 320 also 41,8/2 = 20,06° oder mehr betragen. Nicht sinnvoll sind Neigungswinkel von über 45°, weil dann senkrecht einfallendes Licht in die Modulebene (d. h. in eine Ebene, in der sich das Abdeckelement 115 oder eine Solarzelle 105 erstreckt) gelenkt wird. Bei einem symmetrischen Reflektorprofil wie in 3 führen bereits Neigungswinkel > 30° dazu, dass senkrecht einfallendes Licht teilweise den Nachbarreflektor einer Reflektionselementstruktur 320 trifft. Der optimale Neigungswinkel 310 liegt zwischen 20 und 30°, insbesondere zwischen 22 und 28°, wobei der genaue Wert auch von den sonstigen geometrischen Randbedingungen (Dicke der Glasscheibe bzw. des Abdeckelementes 115, Abstände zwischen den Zellen 105), sowie der gewünschten Einfallswinkeltoleranz abhängt. Die Tiefe des Profils sollte kleiner als die Dicke einer EVA-Schicht 125 sein, damit Letztere das Profil beim Laminierprozess ausfüllen kann und keine Hohlräume verbleiben. Für die in 3 gezeigte Struktur bedeutet dies, dass sich die Profiltiefe der Struktur 320 weniger als 0,5mm beträgt, wenn dies die Dicke der EVA-Schicht 125 im Laminat ist. Es sind verschiedene Möglichkeiten denkbar, die beschriebenen Profile praktisch zu realisieren, wobei im Folgenden die Unterschiede der in den Teil4 dargestellten Ausführungsbeispiele näher beschrieben werden:
Aus der Darstellung aus 4A ist erkennbar, dass das Backsheet 130 selbst die Struktur 320 aufweist, die (wie auch bei den folgenden Ausführungsformen) beispielsweise durch Walzen (beispielsweise als Ausprägung von Reflektionsstrukturen 320 entsprechend den 6A und 6B) oder Prägen erzeugt werden kann. Es kann eine Spiegelschicht als Reflektionselementoberfläche 332 tragen, die beispielsweise als (Licht) reflektierende Struktur v-förmige Rinnen, Pyramiden oder invertierte Pyramiden aufweist. Das Backsheet-Material kann in diesem Fall härter sein und einen höheren Schmelzpunkt als die Laminierfolie 130 aufweisen, sodass die Struktur 320 beim Laminierprozess erhalten bleibt. Wird auf die Spiegelschicht 332 verzichtet, und dem diffus reflektierenden Material lediglich eine Struktur aufgeprägt, so ist der Effekt der Struktur 320 auf den Modulertrag deutlich geringer und der ästhetische Effekt bleibt aus – dafür ist diese Variante dann aber technisch besonders unproblematisch.
Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, die in der 4B dargestellt ist, wird zwischen Backsheet 130 und Laminierfolie 125 eine zusätzliche Folie 400 eingebracht, die die entsprechende Struktur 320 trägt und verspiegelt ist, sodass die Licht reflektierende Reflektionselementoberfläche 332 bereitgestellt wird. Vorteil ist hier die Entkoppelung von den sonstigen Eigenschaften des Backsheets 130, d. h., die strukturierte Folie braucht keine besondere chemische und mechanische Widerstandsfähigkeit zu besitzen. Sie sollte allerdings härter sein und/oder einen höheren Schmelzpunkt als die Laminierfolie 130 aufweisen, sodass die Struktur 320 beim Laminierprozess erhalten bleibt.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, welches in der 4C dargestellt ist, befindet sich zwischen der Laminierschicht 130 und einer zusätzlichen Laminierschicht 410 ein dünnes Wellblech 420, das als Reflektionselement 325 wirkt und entweder selbst metallisch spiegelt oder eine entsprechende Spiegelschicht 332 trägt. Im Laminierprozess wird das Profil beidseitig von den Laminierschichten 120 und 410 ausgeglichen.
Auch kann gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel das Modul über eine rückseitige Glasplatte 440 als Ersatz für das Backsheet 130 verfügen, so wie es in der 4D beispielhaft dargestellt ist und wobei die laminatseitige Oberfläche der Glasplatte 440 strukturiert ist. Realisiert werden kann dies z. B. durch Walzen von Gussglas während der Herstellung. Alternativ kann ein Lack auf das Glas 440 aufgebracht werden, in den vor dem Aushärten die Struktur 320 geprägt oder gewalzt wird. Auch diese Strukturen 320 werden mit einer spiegelnden Schicht 332 versehen.
Schließlich können gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, wie es in der 4E dargestellt ist, schmale Streifen als Reflektionselement 325 verwendet werden, bestehend aus Metall oder beschichtetem Kunststoff. Sie tragen die Struktur 320, befinden sich zwischen Laminierfolie 125 und Backsheet 130 und verlaufen nur entlang der Zellzwischenräume zwischen den Solarzellen 105. Die Streifen können auch entsprechend der 4C ausgeführt sein. In einem solchen Ausführungsbeispiel wird nur wenig strukturiertes Folienmaterial als Reflektionselement 325 benötigt und es lässt sich der Laminatverbund 110 über weite Flächen unverändert herstellen. Letzteres kann von Vorteil sein, wenn die verspiegelte Fläche nach einer der anderen Ausführungsformen die Haftung, elektrische Isolation oder Witterungsbeständigkeit des kompletten Laminats gefährdet.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes, das in der Darstellung aus 4F wiedergegeben ist, trägt ein dünnes und entsprechend flexibles Backsheet 130 eine Spiegelschicht 332. Beim Laminieren wird ein Stempel 450 mit entsprechenden Aussparungen 460 benutzt, sodass ein Druck eines zähflüssigen Verkapselungsmaterials die Backsheetfolie 130 an dieser Stelle aufwölbt. Eine näherungsweise kantige Wölbung kann begünstigt werden, wenn das Backsheet 130 oder eine entsprechende Teilfolie vorher eingeschnitten wurde, wie dies in der 4F mit dem Einschnitt 470 dargestellt ist. Alternativ (in der 4F nicht gezeigt) kann der Stempel 450 auch direkt die gewünschte Struktur 320 tragen, also z. B. eine v-förmige Kerbe, deren Form sich das Backsheet 130 während des Laminierprozesses anpasst. Dieses Ausführungsbeispiel hat den Vorteil, dass keine harten Materialien benötigt werden, um die Struktur 320 über den Laminierprozess zu erhalten.
Die in mehreren Ausführungsbeispielen erwähnte Spiegelschicht 332 kann durch Metallisieren realisiert werden, über einen dielektrischen Schichtstapel oder eine Kombination aus metallischen und dielektrischen Schichten. Die Struktur 320 kann wie in 5A und 5B gezeigt, aus v-förmigen Rinnen oder Pyramiden (aufrecht oder invertiert) bestehen. Auch Pyramiden mit dreieckiger oder sechseckiger Basis sind denkbar, ebenso (wenn auch weniger effizient) Strukturen mit kreisförmiger Basis (Halbkugeln oder Kegel). Durch entsprechende Orientierung der Struktur 325 in Modulebene kann sichergestellt werden, dass das an der Struktur 325 und anschließend an der Glasoberfläche 140 reflektiertes Licht vorzugsweise auf eine Solarzelle 105 und nicht wiederum auf inaktive Backsheet-Fläche 130 fällt. Die Darstellungen aus den Teilfiguren 4 sind weitgehend selbsterklärend. Sind lediglich strukturierte Reflektorstreifen als Reflektorelemente 325 zwischen den Zellen verlegt (siehe 4E), so ist vorteilhaft, die Streifen 325 durch Längsrillen (als Reflektionsstruktur 320) zu strukturieren. Dann wird das Licht senkrecht zur Streifenachse und damit in Richtung der Zelle 105 geworfen. Auch bei einem flächig strukturierten Backsheet 130 kann die künftige Lage der Zellen 105 berücksichtigt werden, sodass längs und quer zur Modulachse orientierte Zellzwischenräume (als Reflektionsbereich 330) die eine jeweils günstige Reflektor-Struktur 320 aufweisen. Einfacher ist in diesem Fall aber die in 5B gezeigte, um 45° zu den Zellen 105 verdrehte Rinnenstruktur. Diese hat den Vorteil eines über das ganze Backsheet 130 bzw. das Reflektionselement 325 hinweg homogenen Musters bzw. Struktur 320, das die Platzierung und Geometrie der Zellen 105 nicht zu berücksichtigen braucht.
Besonders vorteilhaft ist die genaue Abstimmung der Struktur 320 auf die Umrisse der Solarzelle 105), wenn sich die Zellen 105 bei der Modulfertigung entsprechend genau platzieren lassen. Ein solches Ausführungsbeispiel ist in der 6 dargestellt, in welchem das Reflektorelement 325 (beispielsweise in der Form einer Linienstruktur) die Solarzelle 105 zumindest teilweise umgibt.
Anhand der 7A und 7B wird nochmals die Wirkungsweise des hier vorgestellten Ansatzes beschrieben. Die 7A zeigt schematisch die Reflektion von senkrecht einfallender Strahlung (Licht) bei einem herkömmlichen Solarmodul 100. Dabei wird an der Rückseitenfolie (Backsheet) 130 Licht diffus reflektiert, sodass nur ein geringer Teil der reflektierten (Licht-)Strahlung auf die Solarzelle trifft. In der 7A ist dabei eine Querschnittsdarstellung des Solarmoduls 100 wiedergegeben, bei dem Glas als Abdeckelement 115 in einer ersten Ebene 700, die Solarzelle 105 mit einem Verkapselungsmaterial 710 in einer zweiten Ebene 720 und die Rückseitenfolie 130 in einer dritten Ebene 730 angeordnet sind, wobei die zweite Ebene 720 zwischen der ersten Ebene 700 und der dritten Ebene 730 angeordnet ist. Wie aus der 7A ersichtlich ist, erfolgt eine totale innere Reflektion der diffus von der Rückseitenfolie 130 an einer Grenzfläche 140 zwischen dem Glas des Abdeckelementes 115 und eines das Abdeckelement 115 umgebenden Mediums wie beispielsweise einer Umgebungsluft 750.
7B zeigt eine Querschnittsdarstellung des Solarmoduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel des hier vorgestellten Ansatzes, wobei schematisch eine Reflektion von senkrecht einfallender Strahlung bei einem Modul 100 mit einer strukturierten Rückseitenfolie 130 bzw. einer Rückseitenfolie 130 mit einem Reflektionselement 325 mit einer Reflektioselementstruktur 320 dargestellt ist. Hierbei wird die auf das Reflektionselement 325 einfallende Strahlung unter einem Winkel α in Richtung des Abdeckelementes reflektiert, welches günstigerweise für Licht transparent ist und in einem Winkel Φ total reflektiert. Dabei ist der Winkel α abhängig von einer Neigung der Reflektionselementoberfläche 320 (d. h. von einem Winkel zwischen einer Normalen auf eine Oberfläche 140 des Abdeckelementes 115 und einer Reflektionselementoberflächennormale auf die Reflektionselementoberfläche 320, wogegen der Winkel Φ der Reflektion an der Grenzfläche 140 zwischen dem Abdeckelement 115 und dem Medium 750 (hier Luft) von einem Brechungsindexunterschied zwischen dem Brechungsindex des Materials des Abdeckelementes 115 und dem Medium 750 ist.
Durch eine derart strukturierte Rückseitenfolie beispielsweise entsprechend der Darstellung aus 7B wird ein vergleichsweise größerer Anteil, der durch Rückseitenfolie und der Grenzfläche 140 Glas/Luft reflektierten Strahlung, auf die Solarzelle 105 gerichtet.
Im Folgenden soll näher auf die Möglichkeiten für die Auswahl von besonders günstigen Strukturen 320 des Reflektionselementes 325 eingegangen werden.
Die Geometrie der Struktur 320 für eine gezielte Reflektion der Strahlung kann dabei folgendermaßen aussehen:
Die Parameter sollten entsprechend des Abstandes vom eingestrahlten Licht zur Solarzelle, in Abhängigkeit der geometrischen Abmessungen der Bauteile (Glas 115, Verkapselung 710, Rückseitenfolie 130, Solarzelle 105 usw.) und der Brechungsindizes der verwendeten Materialien angepasst werden, sodass möglichst viel Strahlung auf die Solarzellen 105 reflektiert wird.
a) Pyramidenstruktur
8A und 8B zeigt eine zeigt eine Darstellung einer möglichen Pyramidenstruktur in Querschnittdarstellung (8A) und Aufsichtdarstellung (8B). Die wesentlichen Parameter sind hierbei der Winkel α, die Höhe h sowie die Seitenlänge b der einzelnen Pyramiden der Pyramidenstruktur 320 des Reflektionselementes 325.
Die Anordnung der Pyramiden kann dabei sowohl in einer Linie erfolgen, wie dies in den Teilfiguren der 8 dargestellt ist, als auch zueinander versetzt, wie dies in den Teilfiguren der 9 wiedergegeben ist. Dabei ist in der 9A die Pyramidenstruktur in Querschnittdarstellung und in der 9B die Pyramidenstruktur in Aufsichtdarstellung dargestellt, wobei nun die einzelnen Strukturen 320 zwar zeilenförmig, jedoch gegeneinander versetzt (in Bezug auf die einzelnen Pyramiden 320 in den jeweiligen Zeilen) angeordnet sind, beispielsweise derart, dass die Pyramiden 320 einer ersten Zeile einen Versatz v gegenüber den Pyramiden der zweiten Zeile aufweisen, wie dies aus der 9B ersichtlich ist. Auch die Ausrichtung der Pyramiden 320 in Bezug auf die Solarzellen 105 kann hierbei unterschiedlich sein. Parallel zu den Zellen 105, oder in einem beliebigen Winkel zueinander.
b) Linienstruktur
Die Teilfiguren der 10 zeigen eine mögliche Linienstruktur als Ausführungsbeispiel einer Reflektionselementstruktur 320, wobei in der 10A eine Querschnittdarstellung und der 10B eine Aufsichtdarstellung 320 eines ersten Ausführungsbeispiels der Reflektionselementstruktur und in der 10C eine Querschnittdarstellung und der 10D eine Aufsichtdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Reflektionselementstruktur 320 wiedergegeben ist. Die wesentlichen Parameter einer solchen Struktur 320 sind auch hierbei wieder der Winkel α, die Höhe h sowie die Seitenlänge b, als auch der Abstand c zwischen Fuß und Spitze einer Reflektionselementstruktur 320. Die in der Querschnittsansicht erkennbaren Reflektionselementstrukturen 320 können dabei als Dreiecke gleichschenklig sein, wie aus den 10A und 10B ersichtlich ist, als auch mit variablen Seitenlängen (c1 und c2) und Winkeln (α1 und α2), wie dies in den 10C und 10D ersichtlich ist.
Die Ausrichtung der Linien im Bezug auf die Solarzellen 105 kann hierbei auch wieder unterschiedlich sein: parallel zu den Zellen 105, oder in einem beliebigen Winkel zueinander.
c) Kreisförmige Strukturen
Die Teilfiguren der 11 zeigen alternativ auch eine kreisförmige Struktur als Reflektionselementstruktur 320. Die 11A zeigt eine Querschnittsdarstellung einer solchen Reflektionselementstruktur 320, die 11B zeigt eine Aufsichtsdarstellung auf ein erstes Ausführungsbeispiel der Reflektionselementstruktur 320, wogegen die 11C eine Aufsichtsdarstellung auf ein zweites Ausführungsbeispiel der Reflektionselementstruktur 320 zeigt. Die Reflektionselementstruktur 320 kann durchgehend sein, wie die Linienstruktur, oder aus einzelnen „Halbkugeln“ bestehen, wie dies aus den Teilfiguren der 11 ersichtlich ist. Die wesentlichen Parameter sind hierbei der Radius r und die Höhe h. Die 11B zeigt eine versetzte Anordnung der „Halbkugeln“ (dichteste Packung), wohingegen die 11C eine systematische Anordnung der „Halbkugeln“ darstellt. Die Ausrichtung der kreisförmigen Strukturierung in Bezug auf die Solarzellen kann hierbei auch wieder variabel sein.
Ferner können unterschiedliche Varianten für einen Aufbau der Strukturierung gewählt werden.
a) Flächige Strukturierung
Die Strukturierung kann flächig, d. h. das gleiche Muster (z. B. durchgehende Linienstruktur) auf der ganzen Rückseitenfolie 130 als Reflektionselement 325 aufgebracht sein. Dies hat den Vorteil einer einfacheren Verarbeitung im Modul 100, da die Folie 130 samt dem Reflektionselement 325 nicht extra auf den Solarzellen 105 ausgerichtet werden braucht. Alternativ kann auch eine zusätzliche Folie, z. B. zwischen Rückseitenfolie 130 und Verkapselung 710 eingelegt werden, auf welche die Strukturierung 320 aufgebracht ist.
b) Selektive Strukturierung
Eine weitere Möglichkeit ist es die Rückseitenfolie 130 selektiv mit dem Reflektionselement 325 zu versehen bzw. zu strukturieren, damit diese nur auf den freien Flächen im Modul 100 strukturiert ist. Dabei kann je nach Position im Modul 100 die Struktur 320 genau auf die nächstliegende Zelle 105 angepasst werden, um eine optimale Effizienz zu erzielen. 6 zeigt beispielsweise eine auf die Form der Solarzelle 105 angepasste Linienstruktur 325, die die Solarzelle 105 zumindest teilweise umgibt.
Auch hierbei kann alternativ neben der Strukturierung der Rückseitenfolie eine zusätzliche Folie (oder einzelne kleinere Folien) zwischen Rückseitenfolie und Verkapselung eingelegt werden, auf welche die Struktur aufgebracht ist.
Möglich ist auch eine zusätzliche strukturierte Folie, welche zwischen der dem Frontglas zugewandten Verkapselungsfolie und der Zellebene eingelegt ist. Hierbei muss die Folie an den Stellen, wo die Solarzellen sind, ausgeschnitten werden, oder einzelne Folienstücke so eingelegt werden, damit diese die Solarzellen nicht verdecken. Der Vorteil hierbei ist, dass die Zellverbinder und Querverbinder mit abgedeckt werden und somit diese Flächen durch eine geeignete Strukturierung mit zur Effizienzsteigerung beitragen können.
Bei dieser Variante kann auch ein Metall- oder Kunststoffgitter anstatt Folie verwendet werden.
Die Strukturen 320 sollten so orientiert sein, dass das Licht in Richtung der Solarzellen 105 reflektiert wird. Bei reflektierenden Rinnen kann das durch eine Ausrichtung an den Kanten 1200 der Zellen 105 erfolgen (so wie es in der perspektivischen Darstellung aus der 12A wiedergegeben ist) oder beispielsweise unter einem Winkel von 45° (so wie es in der perspektivischen Darstellung aus der 12B wiedergegeben ist). Letzteres erlaubt eine homogene Strukturierung der gesamten Fläche, auf Position und Format der Zellen 105 braucht dann keine Rücksicht genommen werden.
Ein weiterer Vorteil des hier vorgestellten Ansatzes ist eine sehr günstige Herstellung der Strukturierung. Dabei kann die Strukturierung 320 beispielsweise mittels Walzen 1300 auf die Rückseitenfolie 130 geprägt werden, wie dies aus der schematischen Darstellung aus 13 erkennbar ist. Die Struktur 320 ist dabei (beispielsweise als Negativ) auf eine oder beide Walzen 1300 geprägt.
Alternativ kann die Struktur auch auf die Folie gedruckt werden. Weitere Herstellungsmöglichkeiten sind ebenfalls denkbar, insbesondere bei der Herstellung eines zusätzlichen Metall- oder Kunststoffgitters.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel schafft der hier vorgestellte Ansatz ferner ein Verfahren 1400 zum Herstellen eines Solarmoduls. Das Verfahren 1400 umfasst einen Schritt 1410 des Bereitstellens eines Abdeckelementes, zumindest einer Solarzelle und eines Reflektorelementes, wobei das Reflektorelement in einem Reflektorbereich eine in dem Reflektorelement ausgebildete Reflektorstruktur mit einer Licht reflektierenden Reflektorelementoberfläche aufweist. Weiterhin umfasst das Verfahren 1400 einen Schritt 1420 des Anordnens des Abdeckelementes, der zumindest einen Solarzelle und des Reflektorelementes derart, dass die Reflektorstruktur im Reflektorbereich neben der Solarzelle angeordnet wird, wobei ferner das Reflektorelement derart angeordnet wird, dass das Reflektorelement im Reflektorbereich an einer dem Abdeckelement zugewandten Seite zumindest die Reflektorelementstruktur aufweist, wobei die zumindest eine Reflektorelementoberfläche derart angeordnet wird, dass eine Reflektorelementoberflächennormale in eine andere Richtung weist, als eine Oberflächennormale des Abdeckelementes.
Weiterhin wird hier ein bifaciales Modul 100 vorgestellt, welches im Bereich der Solarzellen 105 eine transparente Rückseite (d. h. ein transparentes Backsheet 130) aufweist, im Bereich der Zellzwischenräume 330 und des äußeren Randbereiches aber weiße oder schwarze Folie, allgemeiner nicht-transparente Materialien verwendet, sodass von vorne einfallendes Licht dort nicht transmittiert wird. Werden die Zwischenräume mit weißem Material ausgelegt, so erhöht sich die Modulleistung bei vorderseitigem Lichteinfall. Werden die Zwischenräume mit schwarzem Material ausgelegt, so verbessert sich das Erscheinungsbild des Modules. Trotzdem bleibt die bifaciale Funktionalität des Modules erhalten. Insbesondere für eine Vermessung der Module unter sogenannten Standard-Test-Bedingungen (STC) sind weiße Zwischenräume sehr vorteilhaft. Im Gegensatz zum realen Einsatz unter freien Himmel, bei dem immer gewisse Streulichtanteile durch Streuung in der Atmosphäre und an Objekten der Umgebung auftreten, ist in den Standard-Test-Bedinungen festgelegt, dass die Beleuchtung senkrecht von der Vorderseite zu erfolgen hat und Streulicht auszuschließen ist. Daher profitieren bifaciale Module mit transparenter Rückseite bei einer Messung unter Standard-Test-Bedingungen nicht von ihrer Eigenschaft, gestreutes Licht über die Rückseite aufzunehmen. Sie erleiden aber den oben beschriebenen Verlust durch Transmission in den Zwischenräumen. Da die Preisstellung von Solarmodulen oft proportional zur STC-Leistung erfolgt, sind transparente bifaciale Module im Nachteil, obwohl sie unter realen Einsatzbedingungen oft höhere Energie-Erträge erziele. Die vorgeschlagene Lösung eines bifacialen Modules mit weißen Zwischenräumen vermeidet insbesondere auch bei Messung unter Standard-Test-Bedingungen den Verlust durch Transmission in den Zwischenräumen.
Gemäß dem hier weiterhin vorgestellten Ansatz kann ein Solarmodul 100 gefertigt werden, bei dem die Zellzwischenräume weiß reflektieren (und mit Strukturen 320 versehen sind) oder schwarz sind und die Modul-Rückseite hinter den Solarzellen transparent ist. Folgende Aufbauten sind möglich:
In der 15A ist eine Querschnittsdarstellung eines Solarmoduls 100 gezeigt, die ein bifaciales Solarmodul 100 mit zusätzlichen Einlegern darstellt. Dabei umfasst das in der 15A dargestellte bifaciale Solarmodul 100 im Aufbau ein Abdeckelement 115 (beispielsweise eine Glasplatte), ein erstes Einbettmaterial 120 (z. B. EVA, Silicon), (beispielsweise zu Strings verschaltete) Solarzelle(n) 105, eine zweite Lage Einbettmaterial 125 und eine (beispielsweise transparente) Lage einer Rückseitenverkapselung 130 (auch als Backsheet bezeichnet, beispielweise aus Tedlar oder Glas). Bei dem im Bereich der Zell-Zwischenräume 330 und im Bereich zwischen der Außenkante der letzten Zellen 105 und dem Modulrahmen kann eine zusätzliche Folie oder Folienstücke oder -streifen (schwarz oder weiß) eingelegt werden, die als Reflektionselement 325 wirkt/wirken.
Die Anordnung dieser Folien oder Folienstücke mit oder als Reflektorelement 325 kann sinnvollerweise zwischen der ersten Lage von Einbettmaterial 120 und der zweiten Lage Einbettungsmaterial 125 (wie es in der 15A dargestellt ist) oder zwischen der zweiten Lage Einbettungsmaterial 125 und der Rückseitenfolie 130 geschehen (wie es in den 15B bis 15D offenbart ist, die je eine Querschnittdarstellung eines Solarmoduls 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel zeigen). Dabei kann das Reflektionselement 325 direkt angrenzend an die Solarzellen 105 im Reflektionsbereich 330 entsprechend der Darstellung aus 15B oder direkt in Berührung mit der Rückseitenlage 130 entsprechend der Darstellung aus 15C angeordnet werden.
Die Breite der Folie kann die Breite der Zwischenräume 330 auch etwas übersteigen, sodass die Rückseite der Zellen 105 teilweise auch überdeckt wird. Dann ist die Bifacialität zwar etwas reduziert, im Wesentlichen aber immer noch erhalten. Es könnte aus einer Folie vom Format des Solarmodules die entsprechenden Stellen herausgestanzt werden, oder es könnten Streifen einer Folie ausgelegt werden, möglicherweise sogar über Kreuz. Sämtliche Zwischenvarianten sind denkbar.
Denkbar ist ferner ein bifaciales Modul 100 mit teiltransparenter Rückseitenverkapselung 130. Dabei wird ein bifaciales Solarmodul 100 entsprechend den 15A bis 15C verwendet, an dem jedoch statt dem Reflektionselement 325 zwischen der Rückseitenlage 130 und den Solarzellen 105 ein zusätzlicher Reflektor 325 von außen oder innen auf die Rückseitenverkapselung 130 aufgebracht wird, z. B. durch Bedrucken mit Pigmenten, bedampfen mit Metallen, etc. Oder bei dem entsprechende Pigmente in das Material der Rückseitenverkapselung 130 lokal eingebracht werden. Ein solches Ausführungsbeispiel eines Solarmoduls 100 ist in der Querschnittsdarstellung aus 15D gezeigt.
Der hier vorgestellte Ansatz schafft somit eine strukturierte Rückseitenfolie (beispielsweise in der Form einer Rückseitenfolie mit einem integrierten Reflektionselement) für kristalline Solarmodule zur Erhöhung der Moduleffizienz.
Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
Ferner können hier vorgestellte Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 2012/0145222 A1 [0006]

Claims

Solarmodul (100) mit folgenden Merkmalen: – zumindest einer Solarzelle (105); – einem lichtdurchlässigen Abdeckelement (115), das auf einer Lichtaufnahmeseite der Solarzelle (105) die Solarzelle (105) zumindest teilweise überdeckt; und – zumindest einem Reflektorelement (325), welches zumindest teilweise in einem Reflektorbereich neben der Solarzelle (105) angeordnet ist, wobei das Reflektorelement (325) im Reflektorbereich (330) an einer dem Abdeckelement (115) zugewandten Seite zumindest eine Reflektorelementstruktur (320) mit einer Licht reflektierenden Reflektorelementoberfläche aufweist, wobei die Reflektorelementstruktur (320) an zumindest einer Reflektorelementoberfläche (332) eine Reflektorelementoberflächennormale (315) aufweist, die in eine andere Richtung weist, als eine Oberflächennormale (300) des Abdeckelementes (115).
Solarmodul (100) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektorelement (325) an der Reflektorelementstruktur (320) eine Erhebung und/oder eine Vertiefung in der Reflektorelementoberfläche (332) aufweist.
Solarmodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorelementoberfläche (332) ausgerichtet ist, um Licht bei Einfall aus Richtung des Abdeckelementes (115) in Richtung des Abdeckelementes (115) zu reflektieren, insbesondere wobei ein Winkel (310) zwischen der Reflektorelementoberflächennormale (332) und der Oberflächennormale (300) des Abdeckelementes (115) von einem Brechungsindex (n) des Materials des Abdeckelementes (115) abhängig ist.
Solarmodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektorelement (325) im Bereich der Reflektorelementstruktur (320) zumindest eine weitere Licht reflektierende Reflektorelementoberfläche (332) aufweist, wobei die zumindest eine weitere Reflektorelementoberfläche eine weitere Reflektorelementoberflächennormale aufweist, die in eine andere Richtung weist, als die Oberflächennormale (300) des Abdeckelementes (115) oder die Reflektorelementoberflächennormale (332).
Solarmodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorelementstruktur (320) eine Mehrzahl von Teilstrukturen (320) aufweist, insbesondere wobei die Teilstrukturen (320) in Zeilen angeordnet sind, insbesondere wobei die Teilstrukturen (320) der einzelnen Zeilen ferner in Spalten und/oder gegeneinander versetzt angeordnet sind.
Solarmodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die zumindest eine Reflektorelementstruktur (320) einen dreieckförmigen oder runden Querschnitt aufweist, insbesondere wobei der Querschnitt der Reflektorelementstruktur (320) eine Halbkreisform oder eine Form eines Halbovals oder eine Form eines gleichschenkligen Dreiecks aufweist.
Solarmodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektorelementstruktur (320) die Solarzelle (105) zumindest teilweise umlaufendend umgibt.
Solarmodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ferner zumindest eine zweite Solarzelle (105) vorgesehen ist, wobei die zumindest zweite Solarzelle (105) derart in Bezug zur Solarzelle (105) angeordnet ist, dass sich der Reflektorbereich (330) zwischen der zweiten Solarzelle (105) und der Solarzelle (105) erstreckt.
Solarmodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektorelement (325) in einer anderen Ebene (730) angeordnet ist, als das Abdeckelement (115) und die zumindest eine Solarzelle (105), insbesondere wobei die Solarzelle (105) in einer Ebene (720) angeordnet ist, die sich zwischen dem Reflektorelement (325) und dem Abdeckelement (115) erstreckt.
Solarmodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich das Reflektorelement (325) zumindest teilweise in einen Bereich hinein erstreckt, der von der Solarzelle (105) überlappt ist.
Solarmodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektorelement (325) auf einem Trägerelement (130, 120) laminiert ist.
Solarmodul (100) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Reflektorelement (325) und die Solarzelle (105) in einer gemeinsamen Solarzellenebene (720) angeordnet sind, die von einer Abdeckelementebene (700) beabstandet ist, in der das Abdeckelement (115) angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Solarmodul (100)s, wobei das Verfahren die folgenden Schritte aufweist: – Bereitstellen eines Abdeckelementes (115), zumindest einer Solarzelle (105) und eines Reflektorelementes, wobei das Reflektorelement (325) in einem Reflektorbereich (330) eine in dem Reflektorelement (325) ausgebildete Reflektorstruktur mit einer Licht reflektierenden Reflektorelementoberfläche (332) aufweist; und – Anordnen des Abdeckelementes (115), der zumindest einen Solarzelle (105) und des Reflektorelementes derart, dass die Reflektorstruktur im Reflektorbereich (330) neben der Solarzelle (105) angeordnet wird, wobei ferner das Reflektorelement (325) derart angeordnet wird, dass das Reflektorelement (325) im Reflektorbereich (330) an einer dem Abdeckelement (115) zugewandten Seite zumindest die Reflektorelementstruktur (320) aufweist, wobei die zumindest eine Reflektorelementoberfläche (332) derart angeordnet wird, dass eine Reflektorelementoberflächennormale (332) in eine andere Richtung weist, als eine Oberflächennormale des Abdeckelementes (115).
Verfahren gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Schritt des Bereitstellens ein Reflektorelement (325) bereitgestellt wird, in welches die Reflektorstruktur eingeprägt wurde.