DE102018112104A1

DE102018112104A1 - Laminatfolie und verfahren zum einbetten von solarzellen zur bildung eines photovoltaikmoduls sowie verfahren zum fertigen einer laminatfolie

Info

Publication number: DE102018112104A1
Application number: DE102018112104.0A
Authority: DE
Inventors: Marc Köntges; Henning Schulte-Huxel; Susanne Blankemeyer; Arnaud Morlier
Original assignee: Institut fuer Solarenergieforschung GmbH
Current assignee: Institut fuer Solarenergieforschung GmbH
Priority date: 2018-05-18
Filing date: 2018-05-18
Publication date: 2019-11-21

Abstract

Es werden eine Laminatfolie (1, 2) und ein Verfahren zum Einbetten von Solarzellen (3) zur Bildung eines Photovoltaikmoduls (25) sowie ein Verfahren zum Fertigen einer Laminatfolie (1, 2) beschrieben. Die Laminatfolie (1, 2) ist mit einem vernetzbaren und/oder thermoplastisch verformbaren Material ausgebildet. Die Laminatfolie (1, 2) weist zumindest an einer ihrer Oberflächen (5) eine Strukturierung (9) mit tieferliegenden Bereichen (11, 12) und höherliegenden Bereichen (13) auf, wobei die tieferliegenden Bereiche (11, 12) länglich ausgebildet sind und eine Längserstreckung von wenigstens 1 cm aufweisen.Eine derart strukturierte Laminatfolie kann in ihren tieferliegenden Bereichen beispielsweise über eine Oberfläche der Solarzellen überstehende Zellverbinder (21) oder Überlappungsbereiche (23) von schindelartig angeordneten Solarzellen (3) aufnehmen und dadurch beim Verpressen der Laminatfolien (1, 2) während des Einbettens lokale Kraftspitzen, die ansonsten zum Brechen der Solarzellen (3) führen könnten, vermeiden. Die Strukturierung (9) in den Laminatfolien (1, 2) kann beispielsweise durch Prägen oder Kalandrieren erzeugt werden.

Description

GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Laminatfolie, teilweise auch als Laminationsfolie bezeichnet, und ein Verfahren, mithilfe derer Solarzellen eingebettet werden können, um ein Photovoltaikmodul zu bilden. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Fertigen einer Laminatfolie.
TECHNISCHER HINTERGRUND
Solarzellen dienen zur Umwandlung von Energie des Sonnenlichtes in elektrische Energie unter Ausnutzung des photoelektrischen Effektes. Für eine praktische Anwendung von Solarzellen werden mehrere Solarzellen elektrisch miteinander verbunden und dann in einem Photovoltaikmodul verkapselt.
Zur Bildung des Photovoltaikmoduls werden die Solarzellen dabei in ein optisch möglichst weitestgehend transparentes Einbett-Material eingebettet, welches die Solarzellen sowohl gegen mechanische als auch chemische Einflüsse schützen soll. Das Einbetten der Solarzellen erfolgt dabei heutzutage meist dadurch, dass die bereits miteinander zu Strings verschalteten Solarzellen zwischen zwei Schichten aus transparentem, verformbarem und aushärtbarem Material gelegt werden und anschließend mit diesem bei erhöhter Temperatur verpresst werden. Als solche Schichten können insbesondere Laminatfolien aus einem vernetzbaren und/oder thermoplastisch verformbaren Material wie zum Beispiel EVA (Ethylenvinylacetat) zum Einsatz kommen. Ergänzend umfasst das Photovoltaikmodul in der Regel an einer im Einsatz der Sonne zugewandten Seite angrenzend an das Einbett-Material eine transparente und mechanisch stabile Frontseitenplatte, beispielsweise eine Glasplatte, und/oder an einer entgegengesetzten Seite eine mechanisch stabile Rückseitenplatte, welche ebenfalls transparent sein kann, aber nicht zwingend sein braucht. Eine gesamte Laminatstruktur einschließlich der Solarzellen, des Einbett-Materials, der Frontseitenplatte und eventuell der Rückseitenplatte wird üblicherweise an seinen Rändern von einem Rahmen gehalten, um insgesamt das Photovoltaikmodul zu bilden.
Beispielsweise wird in der JP 2005 050928 A ein Solarzellenmodul und dessen Herstellung unter Verwendung eines Laminats beschrieben.
Obwohl das Einbetten von Solarzellen in das Einbett-Material seit vielen Jahren großtechnisch praktiziert wird, wurde beobachtet, dass es dabei unter bestimmten Randbedingungen zu Problemen kommen kann. Insbesondere wurde beobachtet, dass die in das Photovoltaikmodul aufzunehmenden Solarzellen beim Einbetten teilweise brechen können. Ein solches Brechen von Solarzellen ist zu vermeiden, da es zu Defekten oder zumindest zu einem Wirkungsgradverlust bei dem Photovoltaikmodul führen kann.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG UND VON AUSFÜHRUNGSFORMEN
Es kann ein Bedürfnis an einem Verfahren zum Einbetten von Solarzellen zur Bildung eines Photovoltaikmoduls sowie insbesondere an einer hierfür einsetzbaren Laminatfolie bestehen, welche ein zuverlässiges Einbetten der Solarzellen auch unter bisher ungünstigen Randbedingungen ermöglichen. Ferner kann ein Bedürfnis an einem Verfahren zum Fertigen einer Laminatfolie bestehen, bei dem die gefertigte Laminatfolie ein solches zuverlässiges Einbetten von Solarzellen ermöglicht. Ferner kann ein Bedürfnis an einem Verfahren zum Einbetten von Solarzellen sowie einer hierfür einsetzbaren Laminatfolie und einem Verfahren zum Fertigen einer solchen Laminatfolie bestehen, welche die Bildung eines Photovoltaikmoduls mit hohem Wirkungsgrad und/oder hoher Zuverlässigkeit ermöglichen.
Die genannten Bedürfnisse können zumindest teilweise mit dem Gegenstand eines der unabhängigen Ansprüche der vorliegenden Anmeldung erfüllt werden. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung angegeben.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Laminatfolie zum Einbetten von Solarzellen zur Bildung eines Photovoltaikmoduls vorgeschlagen. Die Laminatfolie ist hierbei mit einem vernetzbaren und/oder thermoplastisch verformbaren Material ausgebildet. Ferner weist die Laminatfolie zumindest an einer ihrer Oberflächen eine Strukturierung mit tieferliegenden Bereichen und höherliegenden Bereichen auf, wobei die tieferliegenden Bereiche länglich ausgebildet sind und eine Längserstreckung von wenigstens 1 cm aufweisen.
Gemäß einem zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Fertigen einer Laminatfolie, insbesondere einer Laminatfolie gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung, vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst dabei zumindest die folgenden Verfahrensschritte: es wird eine Folie mit bzw. aus einem vernetzbaren und/oder thermoplastisch verformbaren Material bereitgestellt. Diese Folie wird derart bearbeitet, dass zumindest an einer ihrer Oberflächen eine Strukturierung mit tieferliegenden Bereichen und höherliegenden Bereichen gebildet wird, wobei die tieferliegenden Bereiche länglich ausgebildet sind und eine Längserstreckung von wenigstens 1 cm aufweisen.
Gemäß einem dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Einbetten von Solarzellen zur Bildung eines Photovoltaikmoduls vorgeschlagen. Das Verfahren umfasst dabei zumindest die folgenden Verfahrensschritte, möglicherweise, aber nicht zwingend, in der angegebenen Reihenfolge: es werden eine erste und eine zweite Laminatfolie bereitgestellt. Zumindest die erste Laminatfolie ist dabei eine Laminatfolie gemäß einer Ausführungsform des ersten Aspekts der Erfindung. Außerdem werden die einzubettenden Solarzellen bereitgestellt. Die Solarzellen werden dann mit einer ersten Solarzellen-Oberfläche angrenzend an die mit der Strukturierung versehene Oberfläche der ersten Laminatfolie und mit einer der ersten Solarzellen-Oberfläche entgegengesetzten zweiten Solarzellen-Oberfläche angrenzend an eine Oberfläche der zweiten Laminatfolie angeordnet. Die erste und die zweite Laminatfolie mit den dazwischen angeordneten Solarzellen werden unter erhöhter Temperatur verpresst.
Ausführungsformen der Erfindung können, unter anderem und ohne die Erfindung zu beschränken, als auf nachfolgend beschriebenen Ideen bzw. Erkenntnissen beruhend angesehen werden:

Die hierin beschriebene Laminatfolie gemäß dem ersten Aspekt der Erfindung soll dazu geeignet sein, darin Solarzellen einbetten zu können, um im Regelfall unter Verwendung weiterer Komponenten wie Front- und Rückseitenplatten und einem Rahmen ein Photovoltaikmodul bilden zu können.

Bei den Solarzellen kann es sich um Solarzellen handeln, die auf Basis von Halbleiterwafern, insbesondere Siliziumwafern, hergestellt wurden. Die Wafer haben dabei typischerweise laterale Abmessungen von zwischen 100×100 cm² und 200×200 cm² bei typischen Dicken von zwischen 150 µm und 400 µm. Die dünnen Wafer sind spröde und somit zerbrechlich.
Zum Einbetten der Solarzellen kann die Laminatfolie als dünne, quer zu ihrer Erstreckungsebene im Wesentlichen ohne erheblichen Kraftaufwand biegbare Folie ausgestaltet sein. Die Laminatfolie kann laterale Abmessungen entlang ihrer Erstreckungsebene aufweisen, welche denjenigen typischer Photovoltaikmodule entsprechen oder größer als diese sind. Beispielsweise können die lateralen Abmessungen eine Breite von einigen zehn Zentimetern, beispielsweise mehr als 0,5 m, und eine Länge von einigen zehn Zentimetern, beispielsweise mehr als 0,5 m oder mehr als 1 m, aufweisen. Gegebenenfalls kann die Laminatfolie mit einer sehr großen Länge von vielen Metern aufgerollt oder gefaltet bereitgestellt werden, sodass zur Bildung eines Photovoltaikmoduls jeweils ein geeignet großer Teil der Laminatfolie abgetrennt werden kann. Die Laminatfolie kann typischerweise eine Dicke von zwischen 0,03 mm und 3 mm, üblicherweise zwischen 0,1 mm und 1 mm und meistens zwischen 0,3 mm und 0,7 mm aufweisen.
Die Laminatfolie sollte aus einem vernetzbaren und/oder thermoplastisch verformbaren Material bestehen oder mit einem solchen Material ausgebildet sein. Beispielsweise kann die Laminatfolie aus bzw. mit einem Kunststoff, insbesondere einem Polymer, ausgebildet sein. Ein vernetzbares Material kann dabei in flüssigem Zustand verarbeitet werden und anschließend darin enthaltene Moleküle oder Molekülketten vernetzt werden, um das Material auszuhärten. Ein thermoplastisch verformbares Material kann durch temporäres Erwärmen aus einem festen in einen plastischen oder viskosen Zustand gebracht werden, in dem es einfach plastisch deformiert werden kann, bevor es dann durch Abkühlen in dem plastisch deformierten Zustand erstarren kann. Beispielsweise können als Material für die Laminatfolie EVA, Polyolefin oder andere insbesondere thermoplastisch verformbare Kunststoffe eingesetzt werden.
Die hierin vorgeschlagene Laminatfolie unterscheidet sich von herkömmlich zum Einbetten von Solarzellen verwendeten Laminatfolien insbesondere dadurch, dass zumindest eine ihrer Oberflächen eine makroskopische Strukturierung, insbesondere eine Strukturierung mit einem sich auf makroskopischer Größenskala periodisch wiederholende Muster, aufweisen soll.
Im Gegensatz dazu weisen herkömmliche Laminatfolien meist an beiden Seiten unstrukturierte, d.h. makroskopisch glatte, Oberflächen auf. Es ist allenfalls bekannt, herkömmliche Laminatfolien an einer ihrer Oberflächen mit einer sehr feinen, meist lediglich mikroskopisch erkennbaren Strukturierung in Form beispielsweise einer Rauigkeit oder kleiner pyramidenförmiger Vertiefungen auszubilden. Diese mikroskopische Strukturierung kann dazu ausgebildet sein, um beispielsweise beim Bilden eines Laminats für ein Photovoltaikmodul Luft zwischen einer von den eingebetteten Solarzellen abgewandten Rückseite der Laminatfolie und einer angrenzenden Frontseitenplatte oder Rückseitenplatte besser ableiten zu können und dadurch eine Bildung von Luftblasen vermeiden zu können. Alternativ oder ergänzend kann die Strukturierung zu einer erhöhten Biegbarkeit der Laminatfolie beitragen.
Die mikroskopische Strukturierung ist dabei jedoch meist mit Strukturtiefen im Mikrometerbereich, oft weniger als 50 µm und in den meisten Fällen sogar weniger als 10 µm, und lateralen Abmessungen von regelmäßig weniger als 1 mm ausgebildet. Insbesondere ist die mikroskopische Strukturierung mit Strukturtiefenabmessungen ausgebildet, die meist wesentlich kleiner sind, als die Dicke der Laminatfolie, d.h. dass beispielsweise eine Höhe bzw. Tiefe der Strukturen kleiner meist als 10 % der Dicke der Laminatfolie ist. Auch die Strukturabmessungen entlang der Ebene der Laminatfolie liegen meist in der gleichen Größenordnung wie die Dicke der Laminatfolie. Außerdem weist eine Strukturierung in Form einer Rauigkeit keine periodisch ausgebildete Struktur auf.
Verglichen hiermit unterscheidet sich die für die hierin beschriebene Laminatfolie vorgesehene makroskopische Strukturierung nicht nur hinsichtlich ihrer Struktur und Strukturabmessungen, sondern auch hinsichtlich ihrer Funktionalitäten.
Insbesondere sollte die makroskopische Strukturierung mit länglichen tieferliegenden Bereichen ausgebildet sein. Solche länglichen tieferliegenden Bereiche können sich beispielsweise als eine Art Gräben entlang der Oberfläche der Laminatfolie erstrecken. Die länglichen tieferliegenden Bereiche weisen dabei eine größere Länge als Breite auf. Die Längserstreckung der tieferliegenden Bereiche sollte hierbei mindestens 1 cm, vorzugsweise mindestens 2 cm oder mindestens 5 cm betragen. Gegebenenfalls kann sich ein länglicher tieferliegender Bereich auch entlang der gesamten Oberfläche der Laminatfolie erstrecken. Mit anderen Worten können die tieferliegenden Bereiche entlang der Oberfläche der Laminatfolie verlaufen und eine Länge aufweisen, die wesentlich größer ist als ihre Breite, beispielsweise mehr als 10 mal länger oder sogar mehr als 50 oder 100 mal länger. Insbesondere können die tieferliegenden Bereiche linear, das heißt geradlinig, ausgebildet sein. Solche länglichen tieferliegenden Bereiche können einfach erzeugt und/oder reproduziert werden. Beispielsweise können die tieferliegenden Bereiche mithilfe von strukturierten Rollen oder Walzen in die Laminatfolie eingebracht, insbesondere eingeprägt, werden.
Die makroskopische Strukturierung sollte Strukturabmessungen aufweisen, welche wenigstens 50 µm oder wenigstens 100 µm in einer Tiefenrichtung und wenigstens 1 cm in der Längserstreckungsrichtung betragen und welche daher meist mit bloßem Auge erkennbar sind. Insbesondere sollte die makroskopische Strukturierung derart ausgestaltet sein, dass an der damit versehenen Oberfläche der Laminatfolie tieferliegende und höherliegende Bereiche zu unterscheiden sind. Die tieferliegenden Bereiche können auch als Vertiefungen verstanden werden in Bezug auf eine Oberfläche der Laminatfolie, welche als Ebene entlang der höherliegenden Bereiche interpretiert wird. In den tieferliegenden Bereichen weist die Laminatfolie eine Schichtdicke auf, die um wenigstens 50 µm oder um wenigstens 100 µm, vorzugsweise um wenigstens 140 µm und stärker bevorzugt um wenigstens 180 µm, kleiner ist als in angrenzenden höherliegenden Bereichen. Zwischen den tieferliegenden Bereichen und den höherliegenden Bereichen besteht somit ein Dickenunterschied. Dieser Dickenunterschied führt zur Bildung einer Stufe zwischen den tieferliegenden und den höherliegenden Bereichen, wobei die Stufe abrupt oder verrundet ausgebildet sein kann. Der Dickenunterschied kann beispielsweise mehr als 10 %, vorzugsweise mehr als 20 % und stärker bevorzugt mehr als 30 % einer maximalen Dicke der Laminatfolie, d.h., gemessen in Bezug auf die Dicke der höherliegenden Bereiche, betragen.
Wie weiter unten anhand von Beispielen detaillierter erläutert, kann die makroskopische Strukturierung an zumindest einer der Oberflächen der Laminatfolie derart ausgestaltet sein, dass in den tieferliegenden Bereichen der Laminatfolie überstehende Bereiche oder überstehende Komponenten der einzubettenden Solarzellen zumindest teilweise aufgenommen werden können. Auf diese Weise kann bewirkt werden, dass an diesen überstehenden Bereichen oder Komponenten während des Verpressens der Laminatfolien zum Einbetten der Solarzellen keine lokalen mechanischen Kraftspitzen generiert werden, welche ansonsten zu einer übermäßigen lokalen Belastung der Solarzellen und schlimmstenfalls zu deren Bruch führen könnten.
Alternativ oder ergänzend kann die makroskopische Strukturierung derart ausgestaltet sein, dass durch sie die strukturierte Oberfläche der Laminatfolie besonders nachgiebig, d.h. weich und mit lediglich geringem Kraftaufwand deformierbar, wird. Beispielsweise kann die strukturierte Oberfläche derart ausgestaltet sein, dass die höherliegenden Bereiche sich bei mechanischer Belastung leicht zur Seite verbiegen lassen. Dadurch können überstehende Bereiche oder überstehende Komponenten der einzubettenden Solarzelle während des Verpressens mit der Laminatfolie die makroskopisch strukturierte Oberfläche der Laminatfolie lokal deformieren, ohne dass es zur Bildung übermäßiger lokaler mechanischer Kraftspitzen käme.
Gemäß einer Ausführungsform kann beispielsweise ein lateraler Abstand zwischen benachbarten tieferliegenden Bereichen größer als 1 cm sein.
Anders ausgedrückt kann ein Abstand zwischen nächstbenachbarten tieferliegenden Bereichen, gemessen entlang der Erstreckungsebene der Laminatfolie, gleich, im Wesentlichen gleich oder zumindest ähnlich denjenigen Abständen sein, in denen bei den einzubettenden Solarzellen überstehende Bereiche oder überstehende Komponenten oder Kanten ausgebildet sind. Solche lateralen Abstände sind typischerweise größer als 1 cm, meist sogar größer als 3 cm oder größer als 5 cm.
Sowohl der Verlauf bzw. die Positionen als auch die Abmessungen der tieferliegenden Bereiche können somit einem Verlauf bzw. Abmessungen von Bereichen oder Komponenten der einzubettenden Solarzellen entsprechen.
Insbesondere können gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Einbetten von Solarzellen gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung Solarzellen über Zellverbinder, welche benachbarte Solarzellen elektrisch miteinander verbinden, zu Strings verschaltet sein. Die Strukturierung der ersten Laminatfolie kann in diesem Fall vorteilhafterweise derart ausgebildet sein und die Solarzellen derart an der mit der Strukturierung versehenen Oberfläche der ersten Laminatfolie angeordnet sein, dass die Zellverbinder vor dem Verpressen zumindest teilweise in den tieferliegenden Bereichen der ersten Laminatfolie aufgenommen sind.
Mit anderen Worten kann die Laminatfolie mit ihrer Strukturierung derart ausgestaltet sein und relativ zu den einzubettenden und bereits zu Strings verschalteten Solarzellen angeordnet sein, dass die darin ausgebildeten tieferliegenden Bereiche ausreichend groß dimensioniert sind und an geeigneter Stelle positioniert sind, um die über die Oberfläche der Solarzellen überstehenden Zellverbinder zumindest teilweise in sich aufnehmen zu können. Hierdurch kann insbesondere vermieden werden, dass beim Verpressen der beiden Laminatfolien auf die dazwischen angeordneten Solarzellen ein lokal stark erhöhter Druck auf die überstehenden Zellverbinder ausgeübt wird, welcher ansonsten ein Brechen der Solarzellen bewirken könnte.
Dies kann insbesondere dann vorteilhaft sein, wenn gemäß einer Ausführungsform die Zellverbinder eine Höhe von mehr als 150 µm, vorzugsweise mehr als 200 µm, stärker bevorzugt mehr als 250 µm, aufweisen.
In diesem Fall, bei dem die Zellverbinder deutlich höher sind und damit deutlich weiter über die Oberfläche der Solarzellen überstehen, als dies bei herkömmlichen Zellverbindern regelmäßig der Fall ist, käme es ansonsten beim Verpressen der Laminatfolie zu besonders hohen lokalen mechanischen Belastungen auf die Solarzellen im Bereich der überstehenden Zellverbinder. Dadurch dass die Zellverbinder jedoch zumindest teilweise in den tieferliegenden Bereichen der Laminatfolie aufgenommen sind und sich seitlich angrenzend an diese tieferliegenden Bereiche höherliegende Bereiche der Laminatfolie erstrecken, können diese höherliegenden Bereiche einen Teil der beim Verpressen ausgeübten Kräfte flächig auf die Oberfläche der Solarzellen übertragen und somit lokale Kraftspitzen vermeiden helfen.
Zellverbinder mit einer großen Höhe können aufgrund ihres vergrößerten Querschnitts ermöglichen, verhältnismäßig starke elektrische Ströme ohne hohe elektrische Verluste durchzuleiten und dabei optische Abschattungen der darunterliegenden Solarzelle zu minimieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Einbetten von Solarzellen gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung können die Solarzellen in Überlappungsbereichen einander schindelartig überlappend angeordnet werden. Die Strukturierung der ersten Laminatfolie kann dabei derart ausgebildet sein und die Solarzellen derart an der mit der Strukturierung versehenen Oberfläche der ersten Laminatfolie angeordnet sein, dass die Überlappungsbereiche vor dem Verpressen zumindest teilweise in den tieferliegenden Bereichen der ersten Laminatfolie aufgenommen sind.
Anders ausgedrückt brauchen die Solarzellen innerhalb des Photovoltaikmoduls nicht beabstandet nebeneinander angeordnet werden, sondern zwei benachbarte Solarzellen können sich mit ihren Rändern überlappen, sodass die Ränder schindelartig übereinander verlaufen. In dem Überlappungsbereich, in dem die Ränder benachbarter Solarzellen einander überlappen, weist eine derartige Struktur eine höhere Dicke auf, als in dazwischenliegenden Bereichen. Damit es in solchen Überlappungsbereichen höherer Dicke beim Verpressen der Laminatfolien nicht zu lokalen mechanischen Spannungsspitzen kommt, kann die in der Laminatfolie vorgesehene Strukturierung derart ausgestaltet sein, dass sich dort, wo die einzubettenden Solarzellen einen Überlappungsbereich aufweisen, tieferliegende Bereiche der Laminatfolie befinden, wohingegen dort, wo sich die Solarzellen nicht überlappen, vorzugsweise höherliegende Bereiche der Laminatfolie ausgebildet sind. Auf diese Weise können die dickeren Überlappungsbereiche in den von den tieferliegenden Bereichen gebildeten Vertiefungen zumindest teilweise aufgenommen werden, sodass die beim Verpressen wirkenden Kräfte zumindest zu wesentlichen Teilen auch über die angrenzenden höherliegenden Bereiche der Laminatfolie auf die Solarzellen übertragen werden und somit insgesamt eine homogenere Kraftübertragung stattfinden kann.
Eine schindelartig überlappende Anordnung von Solarzellen kann einen höheren Wirkungsgrad für das gesamte Photovoltaikmodul ermöglichen, da inaktive Zwischenräume zwischen benachbarten Solarzellen vermieden werden können.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform des Verfahrens zum Einbetten von Solarzellen gemäß dem dritten Aspekt der Erfindung können die Solarzellen zusammen mit Zellverbindern, welche benachbarte Solarzellen elektrisch miteinander verbinden sollen, auf der ersten Laminatfolie positioniert werden und die Zellverbinder anschließend mit den auf der ersten Laminatfolie liegenden Zellverbindern verlötet werden.
Die in der ersten Laminatfolie vorgesehene Strukturierung kann mit ihren tieferliegenden Bereichen dabei zumindest Teile der Zellverbinder und/oder verdickter Überlappungsbereiche schindelartig überlappender Solarzellen aufnehmen. Hierdurch können die Zellverbinder und/oder die Solarzellen einerseits vereinfacht korrekt relativ zueinander positioniert werden, indem die strukturierte erste Laminatfolie quasi als eine Art Positionierungsschablone dient. Andererseits kann vermieden werden, dass beim anschließenden Verlöten der Zellverbinder mit den Solarzellen lokal übermäßige Drücke entstehen, aufgrund derer die Solarzellen ansonsten beschädigt werden könnten. Zum Verlöten der Zellverbinder mit den Solarzellen können verschiedene Löttechniken eingesetzt werden wie beispielsweise Kontaktlöten, Induktivlöten, Infrarotlöten, Ultraschalllöten, etc.
Gemäß einer alternativen Ausführungsform weist bei der Laminatfolie ein höherliegender Bereich eine Breite B und eine Überstehhöhe H auf und ein Aspektverhältnis B:H aus Breite zu Höhe ist kleiner als 1:1, vorzugsweise kleiner als 2:3 oder sogar kleiner als 1:2. Die Breite wird hierbei gemessen in einer Erstreckungsebene der Laminatfolie zwischen zwei tiefstliegenden Regionen zweier den höherliegenden Bereich an gegenüberliegenden Seiten begrenzenden tieferliegenden Bereichen. Die Überstehhöhe wird gemessen senkrecht zur Erstreckungsebene der Laminatfolie zwischen den tiefstliegenden Regionen und einer höchstliegenden Region des höherliegenden Bereichs.
Mit anderen Worten kann es vorteilhaft sein, die in der Laminatfolie vorzusehende Strukturierung derart auszubilden, dass die resultierenden höherliegenden Bereiche zwischen angrenzenden tieferliegenden Bereichen verhältnismäßig hoch und schmal sind, d.h. eine Überstehhöhe H aufweisen, die gleich oder größer ist als eine Breite dieser höherliegenden Bereiche. Aufgrund eines solchen Aspektverhältnisses können die höherliegenden Bereiche ähnlich wie Lamellen oder schmale Säulen aus einer von den dazwischen liegenden länglichen tieferliegenden Bereichen gebildeten Ebene abstehen und sich aufgrund ihrer schmalen Breite bereits bei geringen Kräften verbiegen.
Eine solche Strukturierung mit dünnen höherliegenden Bereichen wirkt somit wie eine an ihrer Oberfläche besonders nachgiebig oder weich ausgestaltete Laminatfolie. Die derart oberflächlich nachgiebig ausgestaltete Laminatfolie kann somit beispielsweise von einer Solarzelle abragende Bereiche oder Komponenten nachgiebiger aufnehmen als eine verhältnismäßig feste Laminatfolie und somit lokale Kraftspitzen während des Verpressens der Laminatfolie mit den Solarzellen vermeiden helfen.
Gemäß einer Ausführungsform weist die Laminatfolie sowohl erste tieferliegende Bereiche, die sich innerhalb einer Erstreckungsebene der Laminatfolie entlang einer ersten Richtung erstrecken, als auch zweite tieferliegende Bereiche, die sich innerhalb der Erstreckungsebene der Laminatfolie entlang einer zu der ersten Richtung quer verlaufenden zweiten Richtung erstrecken, auf.
Anders ausgedrückt können die tieferliegenden Bereiche der Strukturierung einer Laminatfolie zwar vorzugsweise alle länglich, insbesondere geradlinig, ausgebildet sein, brauchen aber nicht jeweils parallel zueinander verlaufen. Stattdessen können erste und zweite tieferliegende Bereiche quer, insbesondere senkrecht, zueinander verlaufen. Die länglichen tieferliegenden Bereiche können sich dabei kreuzen, gegebenenfalls auch mehrfach kreuzen.
Beispielsweise können in einer Längsrichtung verlaufende erste tieferliegende Bereiche beim Einbetten der Solarzellen die ebenfalls in Längsrichtung verlaufenden Zellverbinder zumindest teilweise in sich aufnehmen. In einer Querrichtung verlaufende zweite tieferliegende Bereiche hingegen können die quer zu den Zellverbindern verlaufenden Kanten von Solarzellen oder, für den Fall, dass benachbarte Solarzellen einander schindelartig überlappen, die quer zu den Zellverbindern verlaufenden Überlappungsbereiche zumindest teilweise in sich aufnehmen.
Gemäß einer Ausführungsform kann bei der Laminatfolie eine Vertiefung, welche durch einen der tieferliegenden Bereiche und zwei höherliegende Bereiche, die diesen tieferliegenden Bereich an gegenüberliegenden Seiten begrenzen, gebildet wird, einen rechteckigen, quasi-rechteckigen, dreieckigen oder einen quasi-dreieckigen Querschnitt aufweisen.
Insbesondere können die Querschnitte der tieferliegenden Bereiche derart gewählt sein, dass darin aufzunehmende überstehende Bereiche oder überstehende Komponenten der Solarzellen aufgenommen werden können. Insbesondere kann es vorteilhaft sein, die Querschnitte der tieferliegenden Bereiche derart zu wählen, dass diese weitgehend oder sogar vollständig komplementär zu den Querschnitten der aufzunehmenden Bereiche oder Komponenten der Solarzellen sind. Insbesondere können Querschnitte und Abmessungen der tieferliegenden Bereiche in etwa denjenigen der darin aufzunehmenden Zellverbinder oder verdickten Überlappungsbereiche der Solarzellen entsprechen.
Die oben genannten ersten und zweiten tieferliegenden Bereiche können hierbei ähnlich ausgestaltet sein, insbesondere ähnliche Querschnitte aufweisen, können jedoch auch unterschiedlich ausgestaltet sein. Beispielsweise können die ersten tieferliegenden Bereiche einen Querschnitt aufweisen, der in etwa komplementär zu den darin aufzunehmenden Zellverbindern ist. Da die Zellverbinder meist einen rechteckigen oder quasi-rechteckigen Querschnitt aufweisen, können diese ersten tieferliegenden Bereiche somit vorzugsweise auch einen solchen Querschnitt aufweisen. Die zweiten tieferliegenden Bereiche hingegen können einen Querschnitt aufweisen, der in etwa komplementär zu einer Geometrie der Überlappungsbereiche zwischen benachbarten Solarzellen ist. Da solche Überlappungsbereiche meist näherungsweise dreieckig sind, können auch die zweiten tieferliegenden Bereiche einen solchen dreieckigen oder quasi-dreieckigen Querschnitt aufweisen. Unter einem quasi-rechteckigen bzw. quasi-dreieckigen Querschnitt kann hierbei ein insbesondere an seinen Kanten verrundeter rechteckiger bzw. dreieckiger Querschnitt verstanden werden.
Gemäß einer Ausführungsform kann eine der Oberflächen der Laminatfolie im Wesentlichen eben sein.
Mit anderen Worten kann es genügen, dass die Laminatfolie lediglich an einer ihrer Oberflächen die genannte makroskopische Strukturierung aufweist und an der entgegengesetzten Oberfläche im Wesentlichen eben ist. Beim Einbetten der Solarzellen kann dann diejenige Oberfläche der Laminatfolie, welche die Strukturierung aufweist, an die unebene Oberfläche der Solarzellen einschließlich insbesondere ihrer Zellverbinder angelagert werden, wohingegen die ebene entgegengesetzte Oberfläche beispielsweise an eine ebenfalls ebene Oberfläche einer daran angelagerten Frontseitenplatte oder Rückseitenplatte angrenzen kann.
Die Eigenschaft, dass die eine Oberfläche der Laminatfolie „im Wesentlichen eben“ sein soll, kann dahingehend interpretiert werden, dass diese Oberfläche zumindest makroskopisch eben ist, wobei auf mikroskopischer Skala vorhandene Unebenheiten vorzugsweise deutlich kleiner als 100 µm, vorzugweise kleiner als 50 µm oder sogar kleiner als 20 µm sind.
Beim Einbetten von Solarzellen kann es prinzipiell genügen, lediglich eine der hierfür eingesetzten Laminatfolien in der beschriebenen erfindungsgemäßen Weise auszubilden. Gemäß einer Ausführungsform kann es jedoch auch vorteilhaft sein, die zweite Laminatfolie ebenfalls als eine erfindungsgemäße Laminatfolie auszubilden und die zweite Solarzellen-Oberfläche angrenzend an die mit der Strukturierung versehene Oberfläche der zweiten Laminatfolie anzuordnen. Die Solarzellen können dabei beim Einbetten von beiden Seiten her von geeignet strukturierten Laminatfolien begrenzt werden, sodass insgesamt ein beim Verpressen ausgeübter Druck möglichst homogen und ohne lokale Kraftspitzen auf die Solarzellen übertragen wird.
Die hierin vorgestellten Laminatfolien können mit verschiedenen Verfahren gefertigt werden. Beispielsweise kann eine Folie zunächst mit einer homogenen Dicke erzeugt werden und anschließend durch subtraktive oder verlagernde Maßnahmen die Vertiefungen in Form der tieferliegenden Bereiche darin ausgebildet werden. Alternativ oder ergänzend können anschließend durch additive Maßnahmen die höherliegenden Bereiche ausgebildet werden.
Gemäß einer Ausführungsform des Verfahrens zum Fertigen der Laminatfolie gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung kann das Bearbeiten der Folie dabei durch Prägen oder Kalandrieren der Folie erfolgen.
Unter einem Prägen kann hierbei ein Umformen von Material unter Druck verstanden werden. Das Material wird dabei durch ein aufgepresstes Werkzeug wie beispielsweise eine Art Stempel an manchen Stellen lokal verdrängt und hin zu benachbarten Stellen geschoben. Eventuell kann das zu verformende Material während des Prägens auf eine erhöhte Temperatur, bei der es plastischer wird, erhitzt werden. Unter Kalandrieren kann ein Umformen von Material verstanden werden, indem dieses zwischen mehreren beheizten Walzen unter Druck durchgeführt wird. Sowohl das Prägen als auch das Kalandrieren der Folie kann verhältnismäßig einfach großtechnisch umgesetzt werden.
Zum Fertigen der Laminatfolie können aber auch andere Verfahren zum Bearbeiten der Folie eingesetzt werden. Beispielsweise kann die Laminatfolie extrudiert oder gegossen werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass mögliche Vorteile und Ausgestaltungen von Ausführungsformen der Erfindung hierin teilweise mit Bezug auf eine erfindungsgemäße Laminatfolie, ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Fertigen einer Laminatfolie oder ein erfindungsgemäßes Verfahren zum Einbetten von Solarzellen zur Bildung eines Photovoltaikmoduls beschrieben sind. Ein Fachmann erkennt, dass die beschriebenen Merkmale in geeigneter Weise übertragen, angepasst, ausgetauscht oder modifiziert werden können, um zu weiteren Ausführungsformen der Erfindung zu gelangen.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei weder die Zeichnungen noch die Beschreibung als die Erfindung einschränkend auszulegen sind.

1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäßen Laminatfolie.
2 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A in 1.
3 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie B-B in 1.
4 zeigt eine Schnittansicht durch eine in erfindungsgemäße Laminatfolien eingebettete Solarzelle.
5 zeigt eine Schnittansicht durch in erfindungsgemäße Laminatfolien eingebettete und schindelartig überlappende Solarzellen.
6 zeigt eine Schnittansicht durch eine alternative erfindungsgemäße Laminatfolie.
7 zeigt eine Schnittansicht durch ein erfindungsgemäßes hergestelltes Photovoltaikmodul.

Die Figuren sind lediglich schematisch und nicht maßstabsgetreu. Insbesondere wird darauf hingewiesen, dass der in den Figuren angegebene Verlauf und die Abmessungen der tieferliegenden und höherliegenden Bereiche nicht realitätsnah wiedergegeben sind, sondern lediglich Grundprinzipien veranschaulichen sollen. Gleiche Bezugszeichen bezeichnen in den verschiedenen Figuren gleiche oder gleichwirkende Merkmale.
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer erfindungsgemäß ausgebildeten Laminatfolie 1. In den 2 und 3 sind Schnittansichten durch die Laminatfolie 1 entlang der Linien A-A bzw. B-B dargestellt.
Die Laminatfolie 1 dient zum Einbetten von Solarzellen zur Bildung eines Photovoltaikmoduls. Die Laminatfolie 1 besteht aus einem thermoplastisch verformbaren Material wie zum Beispiel EVA. Alternativ könnte ein vernetzbares Material verwendet werden.
Eine im Beispiel nach unten gerichtete Oberfläche 7 der Laminatfolie 1 ist makroskopisch eben. In einer im Beispiel nach oben gerichteten Oberfläche 5 ist eine makroskopische Strukturierung 9 eingebracht. Die Strukturierung 9 umfasst tieferliegende Bereiche 11, 12 und höherliegende Bereiche 13. Erste tieferliegende Bereiche 11 verlaufen dabei länglich in einer ersten Richtung 27 entlang der Erstreckungsebene der Laminatfolie 1, wohingegen zweite tieferliegende Bereiche 12 in einer zweiten Richtung 29 länglich quer zu der ersten Richtung 27 in der Erstreckungsebene der Laminatfolie 1 verlaufen.
Die tieferliegenden Bereiche 11, 12 sind länglich und erstrecken sich über makroskopische Strecken von mehr als 1 cm, in vielen Fällen sogar mehr als 10 cm oder eventuell sogar entlang der gesamten Länge bzw. Breite der Laminatfolie 1.
In den tieferliegenden Bereichen 11, 12 weist die Laminatfolie 1 eine Schichtdicke Dt von beispielsweise zwischen 0,2 mm und 0,4 mm auf, wohingegen die höherliegenden Bereiche 13 eine Schichtdicke Dh von beispielsweise ca. 0,5 mm oder mehr aufweisen. Die höherliegenden Bereiche 13 überragen die tieferliegenden Bereiche 11, 12 damit mit einer Überstehhöhe H von mindestens 100 µm, beispielsweise um ca. 0,2mm, und weisen eine Breite B auf. Die Breite B der höherliegenden Bereiche 13 kann je nach Ausführungsform der Laminatfolie 1 stark variieren. Im dargestellten Beispiel sind die höherliegenden Bereiche 13 relativ breit, d.h. die Breite B ist beispielsweise größer als 1 cm. Ein lateraler Abstand S zwischen nächstbenachbarten tieferliegenden Bereichen 11 ist ebenfalls größer als 1 cm.
Die tieferliegenden Bereiche 11, 12 sind länglich ausgebildet und verlaufen als eine Art Graben entlang der strukturierten Oberfläche 5 der Laminatfolie 1. Die ersten und zweiten tieferliegenden Bereiche 11, 12 werden dabei seitlich jeweils von angrenzenden höherliegenden Bereichen 13 begrenzt und bilden somit Vertiefungen 19 an der strukturierten Oberfläche 5 der Laminatfolie 1. Die durch die ersten tieferliegenden Bereiche 11 gebildeten Vertiefungen 19 weisen dabei einen im wesentlichen rechteckigen Querschnitt auf, wohingegen die durch die zweiten tieferliegenden Bereiche der 12 gebildeten Vertiefungen 19 einen im Wesentlichen dreieckigen Querschnitt aufweisen.
4 veranschaulicht im Querschnitt eine Solarzelle 3, welche zwischen einer ersten Laminatfolie 1 und einer zweiten Laminatfolie 2 eingebettet ist. An gegenüberliegenden Solarzellen-Oberflächen 31, 33 weist die Solarzelle 3 jeweils Zellverbinder 21 auf. Die Zellverbinder 21 sind auf elektrische Kontakte der Solarzelle 1 gelötet und verbinden benachbarte Solarzellen 1 elektrisch miteinander. Die Zellverbinder 21 stehen über eine erste Solarzellen-Oberfläche 31 und eine zweite Solarzellen-Oberfläche 33 ab. Die Solarzelle 3 hat dabei eine Dicke d von typischerweise zwischen 0,2 mm und 0,3 mm. Die in diesem Fall verwendeten Zellverbinder 21 haben eine größere Höhe h als herkömmliche Zellverbinder und können beispielsweise mehr als 200 µm oder sogar mehr als 250 µm über die jeweiligen Solarzellen-Oberflächen 31, 33 überstehen.
Um die Solarzelle 3 in Laminatmaterial einzubetten, wird die erste Laminatfolie 1 mit ihrer strukturierten Oberfläche 5 an die erste Solarzellen-Oberfläche 31 angelegt und die zweite Laminatfolie 2 wird mit ihrer strukturierten Oberfläche 5 an die zweite Solarzellen-Oberfläche 33 angelegt. Anschließend werden die beiden Laminatfolien 1, 2 miteinander und mit der dazwischen aufgenommenen Solarzelle 3 durch Beaufschlagen mit einer flächig wirkenden Presskraft, veranschaulicht mit den Pfeilen 35, verpresst. Dabei werden die Laminatfolien 1, 2 gleichzeitig auf eine erhöhte Temperatur von typischerweise über 50 °C, meist auf einen Temperaturbereich von 120 -180 °C, erhitzt. Das thermoplastische Material der Laminatfolien 1, 2 kann sich dabei plastisch verformen, sodass es nach dem anschließenden Abkühlen und Erstarren die Solarzellen 3 eng und hermetisch dicht umhüllt.
Um beim Verpressen der Laminatfolien 1, 2 keine übermäßigen, lediglich lokal wirkenden Kräfte im Bereich der Zellverbinder 21 auf die Solarzellen 3 auszuüben, sind in den Laminatfolien 1, 2 die ersten vertieften Bereiche 11 derart positioniert und dimensioniert, dass die Zellverbinder 21 oder zumindest ein Teil davon darin aufgenommen wird. Dementsprechend „versinken“ die Zellverbinder 21 in den Vertiefungen 19. Da die höherliegenden Bereiche 13 neben den Zellverbindern 21 die erste bzw. zweite Solarzellen-Oberfläche 31, 33 erreichen oder diesen zumindest nahekommen, kann beim Verpressen der Laminatfolien 1, 2 die Presskraft flächig auf die Solarzellen 3 ausgeübt werden. Hierdurch kann ein lokales Brechen von Solarzellen weitgehend vermieden werden.
Die strukturierten Laminatfolien 1, 2 können auch dahingehend vorteilhaft genutzt werden, dass die Solarzellen 3 und die Zellverbinder 21 bereits an einer der Laminatfolien 1, 2 angelegt werden, bevor diese miteinander verlötet werden. Die Strukturierung 9 der Laminatfolien 1, 2 kann dabei positionierend auf die Solarzellen 3 und/oder die Zellverbinder 21 wirken. Anschließend können die Solarzellen 3 und die Zellverbinder 21 miteinander verlötet werden. Dabei wirkt sich wiederum vorteilhaft aus, dass ein eventuell beim Verlöten ausgeübter Druck auf die Zellverbinder 21 nicht lokal auf die Solarzellen 3 weitergegeben wird, sondern flächig übertragen wird und somit lokale mechanische Spannungsspitzen vermieden werden können.
5 veranschaulicht im Querschnitt ein Beispiel, bei dem benachbarte Solarzellen 3', 3" einander an ihrem Rand schindelartig überlappen. Ein Zellverbinder 21 erstreckt sich dabei linear und verbindet eine erste Solarzellen-Oberfläche 31 einer ersten Solarzelle 3' mit einer zweiten Solarzellen-Oberfläche 33 einer zweiten Solarzelle 3".
In einem Überlappungsbereich 23 weist die Kombination der beiden Solarzellen 3', 3" lokal eine erhöhte Dicke auf. Um beim Verpressen der geschindelten Solarzellen 3', 3" mechanische Kraftspitzen im Bereich dieser verdickten Überlappungsbereiche 23 zu vermeiden, sind die erste Laminatfolie 1 und die zweite Laminatfolie 2 an ihren strukturierten Oberflächen 5 jeweils mit zweiten tieferliegenden Bereichen 12 ausgestaltet, die es ermöglichen, die verdickten Überlappungsbereiche 23 möglichst komplementär eingreifend aufzunehmen. Benachbarte höherliegende Bereiche 13 der beiden Laminatfolien 1, 2 können dabei an den jeweiligen Solarzellen-Oberflächen 31, 33 angrenzend an die Überlappungsbereiche 23 anliegen, sodass bei der Beaufschlagung mit der zum Verpressen eingesetzten Presskraft 35 eine möglichst homogene Druckverteilung auf die Solarzellen 3', 3" bewirkt werden kann.
In 6 ist eine Schnittansicht durch eine alternative Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Laminatfolie 1 dargestellt. Auch in dieser Laminatfolie 1 sind an einer strukturierten Oberfläche 5 tieferliegende Bereiche 11 und höherliegende Bereiche 13 ausgebildet, sodass Vertiefungen 19 entstehen. Allerdings ist eine Breite B der höherliegenden Bereiche 13 deutlich kleiner als bei den weiter oben dargestellten Ausführungsformen. Die Breite B soll in diesem Fall in der Erstreckungsebene der Laminatfolie 1 zwischen zwei tiefstliegenden Regionen 15 von tieferliegenden Bereichen 11 gemessen werden, die den höherliegenden Bereich 13 an gegenüberliegenden Seiten begrenzen. Damit entspricht die Breite B den vielen Fällen in etwa dem weiter oben bereits genannten lateralen Abstand S zwischen benachbarten tieferliegenden Bereichen 11. Insbesondere soll die Breite B der schmalen höherliegenden Bereiche 13 kleiner sein als deren Überstehhöhe H, sodass sich ein Aspektverhältnis B:H von weniger als 1:1 ergibt.
Aufgrund der Strukturierung 9 mit den sehr schmalen höherliegenden Bereichen 13 ergibt sich für die strukturierte Oberfläche 5 eine erhöhte Nachgiebigkeit. Dementsprechend können überstehende Bereiche oder überstehende Komponenten von Solarzellen 3 die gezielt weich und nachgiebig ausgestaltete strukturierte Oberfläche 5 mit wenig Kraft deformieren. Dadurch können beim Verpressen von Solarzellen mit Laminatfolien 1 lokale Kraftspitzen weitgehend vermieden werden.
7 zeigt eine Schnittansicht durch ein gesamtes Photovoltaikmodul 25, wie es erfindungsgemäß durch Einbetten von Solarzellen 3 in die hierin beschriebenen Laminatfolien 1, 2 gebildet werden kann. Angrenzend an die beiden Solarzellen-Oberflächen 31, 33 wird jeweils eine der ersten und zweiten Laminatfolien 1, 2 mit ihrer strukturierten Oberfläche 5 hin zu den Solarzellen-Oberfläche 31, 33 angeordnet. Die Zellverbinder 21 werden dabei weitgehend in den Vertiefungen 19 der Laminatfolie in 1, 2 aufgenommen. Gleiches gilt für verdickte Überlappungsbereiche 23, sofern die Solarzellen 3 schindelartig angeordnet sein sollte. Oberhalb und unterhalb der Laminatfolien 1, 2 wird ferner eine Glasplatte als Frontseitenplatte 37 sowie eine Rückseitenplatte 39 angeordnet.
Zum weitergehenden Verständnis der Erfindung und ihrer möglichen Ausführungsformen werden diese nachfolgend ergänzend mit einer alternativen Wortwahl erläutert.
Eine Ausgestaltung der Erfindung betrifft ein Verfahren zum stressfreien Einlaminieren von Solarzellenstrings mit geprägten Laminationsfolien.
Insbesondere wird ein Verfahren beschrieben, um waferbasierte Solarzellen mechanisch stressfrei mithilfe von Laminationsfolien einzukapseln. Zu diesem Zweck wird in eine Laminationsfolie eine Struktur eingeprägt oder in anderer Weise eingebracht, die näherungsweise ein Negativabbild einer Struktur des empfindlichen Strings aus Solarzellen bildet oder eine effektiv weichere Oberflächenstruktur auf der strukturierten Seite der Laminationsfolie bildet.
Die Folien werden verwendet, um Solarzellenstrings in einem Schichtstapel aus Glas/Laminationsfolie/String/Laminationsfolie/Rückseitenfolie oder Glas/Laminationsfolie/String/Laminationsfolie/Glas oder Transparenter-Vorderseitenfolie/Laminationsfolie/String/Laminationsfolie/Rückseitenfolie einzubetten.
Ein typischer Temperatur-Druck-Verlauf für einen Laminationsprozess umfasst, dass das Laminat bereits ab ca. 50°C von der Laminatormembran gepresst wird. Zu diesem Zeitpunkt ist das Laminationsmaterial meist noch nicht flüssig. Aufgrund dieses Prozessschrittes entstehen die größten mechanischen Spannungen im Wafermaterial in der gesamten Herstellungskette (wie beispielsweise in Song et. al. „Numerical Simulation of the evolution of stress in solar cells during the entire manufacturing cycle of a conventional silicon wafer based photovoltaic laminate", IEEE J. Photovoltaics, 8 (2017) 210 -217, doi: 10.1109/JPHOTOV.2017.2775158 beschrieben ist).
Die mechanischen Spannungen sind demnach bei diesem Prozessschritt fast doppelt so hoch wie die höchsten Stresssituationen aller anderen Modulherstellungsschritte.
Während des Lamination-Press-Schrittes kann die Solarzelle sich insbesondere über den Verbindern stark krümmen. Diese Krümmung führt zu einer sehr hohen Stressbelastung an der Siliziumoberfläche in der unmittelbaren Nähe des Verbinders.
Ausführungsformen der Erfindung zielen darauf ab, waferbasierte Solarzellen riss- bzw. bruchfrei in ein Modullaminat einzubetten. Sie können dazu genutzt werden, Zellverbinder mit einem größeren Leitungsquerschnitt als bisher möglich einzusetzen und Solarzellen in einem String ohne Lücke, d.h. schindelartig überlappend, einbetten zu können.
Dies kann durch eine von zwei Methoden erreicht werden:

1. Die Laminationsfolie wird bei ihrer Herstellung so vorgeprägt, dass alle Siliziumwafer des einzubettenden waferbasierten Strings an keiner Stelle auf einer Kante aufliegen, die höher als 200 µm ist. Wenn nötig werden dafür sowohl die untere als auch die obere Laminationsfolie geprägt. Es wurde erkannt, dass 200 µm hohe Kanten im Laminations-Press-Schritt so verarbeitet werden können, dass keine Risse im Silizium bewirkt werden. Die erwähnten Kanten entstehen üblicherweise an zwei besonderen Stellen in einem Solarzellenstring. Die erste Kante entsteht an der Stelle, an der ein Verbinder auf der Solarzelle angebracht wurde. Über den Verbinder wird der Wafer während des Laminations-Press-Schrittes auf das Laminat gedrückt und somit stark verbogen oder gar abgeschert. Die zweite Kante entsteht zwischen zwei verschalteten Solarzellen im String. An dieser Stelle wird der Verbinder von der Solarzellenoberseite auf die Solarzellenunterseite geführt. Werden die Solarzellen sehr dicht gelegt, so entstehen Kanten, die noch höher sind als die erstgenannte Kante. Dies verhindert bisher, dass Solarzellen schindelartig in das Modul einlaminiert werden können. Außerdem kann die Prägestruktur im Laminationsmaterial dazu verwendet werden, Elemente im PV-Modul genau zu positionieren, ohne diese mit z.B. Klebestreifen zu fixieren zu müssen. Diese zu fixierenden Elemente können z.B. die Solarzellenstrings selbst sein, oder reflektierende Folien zwischen den Solarzellen.
2. Statt einer Vorprägung der Laminationsfolie gewissermaßen als Negativabdruck des Solarzellenstrings kann die Oberfläche der Laminationsfolie durch eine geeignete Strukturierung so nachgiebig gestaltet werden, dass die oben erwähnten Kanten im Laminat lokal versinken können, ohne zusätzlichen mechanischen Stress im Wafermaterial zu erzeugen. Eine geeignete Struktur ist eine Säulen- oder Lamellenstruktur auf der EVA-Oberfläche, deren Säulen/Lamellen wesentlich höher sind als deren Durchmesser, bzw. Wanddicke. Die Struktur muss so gewählt werden, dass bei dem Laminations-Press-Schritt die Kanten so in die effektiv weich gemachte Oberfläche versinken, dass die Kanten des Strings soweit lokal versinken, dass der Biegeradius der Siliziumwafer unter deren Bruchspannung bleiben. Neben den genannten Säulen/Lamellen-Strukturen sind noch viele andere Strukturen denkbar, z.B. Lamellen in Wellen- oder Zickzack-Struktur, Säulen mit einer nicht runden Grundform, Bögen aus Fasern, poröses Laminationsmaterial mit durchgängigen Entlüftungswegen usw. Im Laminationsprozess müssen die Folien mit einer effektiv weich gestalteten Oberfläche jeweils mit der weichen Seite zum Solarzellestring hin gelegt werden.

Für die industrielle Fertigung ist bei der Auslegung der Prägung darauf zu achten, dass Fertigungstoleranzen bei der Modulherstellung berücksichtigt werden müssen. Anhand der bisherigen Versuche wird geschätzt, dass Prägungstoleranzen der Laminationsfolie in der Fläche von geschätzt 1 mm und in der Dicke von ca. 50 µm (bei Kantensprüngen) ohne weiteres akzeptabel sind.
Um noch größere Toleranzen in der industriellen Fertigung abfangen zu können, könnten die Laminationsfolien zusätzlich mehrere segmentierte Schnitte enthalten, die es ermöglichen die Laminationsfolie geringfügig in Richtung der gewünschten Toleranz auseinander zu ziehen. Die Schnittlänge ist dabei so zu bemessen, dass nur so große Lücken in der Laminationsfolie entstehen, dass die Siliziumwafer die Lücken auch beim Laminations-Press-Schritt ohne Schaden überstehen. Geschätzt sollte die Schnittlänge der Schnittsegmente deshalb 5 mm nicht überschreiten. Für eine möglichst verwerfungsarme Längenstreckung müssten mindestens zwei direkt benachbarte Linien von versetzt segmentierten Schnitten gesetzt werden.
Die Herstellung von besonders elastischen Laminatfolienoberflächen ist aus Sicht der Fertigungstoleranzen zu bevorzugen. Jedoch verkürzt eine feine Strukturierung der Folie die mögliche Lagerdauer der Folie, weil diese durch die stark vergrößerte Oberfläche leichter ausgasen kann.
Die Prägung kann in die Laminationsfolie bei Ihrer Herstellung oder kurz vor der Modulherstellung durch Extrusion, Kalandrieren, Gießen oder Prägen eingebracht werden.
Nachfolgend werden bisherige Versuche und Ergebnisse beschrieben:

Hier wird beschrieben, wie Module im Rahmen von Versuchen mit dem hier vorgestellten Verfahren gebaut wurden.

Um das Potential der Strukturierung einer EVA-Oberfläche zu zeigen, wurden zwei Versuche (A, B) durchgeführt.
Herstellung einer Solarzelle mit besonders dicken Verbindern
Im Versuch A1 wurden 200 µm dicke Standardverbinder auf eine bruchempfindliche 5-Busbar-Solarzelle aufgelötet, ohne Zellrisse zu erzeugen. Die Verbinder wurden durch das Aufkleben einer 64 um dicken Folie effektiv dicker gemacht (264 um).
Auch unter der Verwendung eines sehr sanften Laminationsprozesses, um die Solarzellen einzulaminieren, zerbrach die Solarzelle während des Laminationsprozesses.
Im Versuch A2 wurden mit denselben Materialien wie in Versuch A1 wieder eine Solarzelle mit zellrissfrei aufgelöteten Verbindern hergestellt. Anschließend wurden zwischen die Verbinder auf der Rückseite und der Vorderseite präzise zugeschnittene Laminationsfolienstücke gelegt, so dass alle Flächen zwischen den Verbindern ausgefüllt sind. Nach der Lamination ist diese Zelle vollständig rissfrei.
Herstellen von quasi-geschindelten Solarzellen
Um ein Quasi-Schindeln zu evaluieren, wurden zwei Schlüsselversuche durchgeführt.
Versuch B1: Quasi-Schindelmodul mit Standardlamination
Zunächst wurde geprüft, ob ein Quasi-Schindel-Modul mit Standardlaminationstechnik hergestellt werden kann. Zu diesem Zweck wurde ein Laminat hergestellt. Die Zellen waren etwa 180 µm dick und die als Verbinder verwendeten 22 Drähte haben einen Durchmesser von 200 µm. Anhand von Elektroluminiszenzbildern war deutlich zu erkennen, dass die vorher fast rissfreien Zellen durch den Laminationsschritt viele Risse hinzubekommen haben. Die Risspositionen entsprachen genau der Stelle, an der das Laminat die höchste Kante von ca. 580 µm im String aufweist.
Versuch B2: Quasi-Schindelmodul mit Lamination mit Unterlegkeilen
Um die bruchgefährdete Kante mechanisch während der Lamination zu entlasten, wurden Folienkeile über und unter die Zellen gelegt. Ansonsten war das Modul identisch zu Versuch B1. Aus Elektroluminiszenzbildern war deutlich zu erkennen, dass keine der Zellen durch den Laminationsschritt beschädigt wurden.
Abschließend ist darauf hinzuweisen, dass Begriffe wie „aufweisend“, „umfassend“, etc. keine anderen Elemente oder Schritte ausschließen und Begriffe wie „eine“ oder „ein“ keine Vielzahl ausschließen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass Merkmale oder Schritte, die mit Verweis auf eines der obigen Ausführungsbeispiele beschrieben worden sind, auch in Kombination mit anderen Merkmalen oder Schritten anderer oben beschriebener Ausführungsbeispiele verwendet werden können. Bezugszeichen in den Ansprüchen sind nicht als Einschränkung anzusehen.
Bezugszeichenliste

1: erste Laminatfolie
2: zweite Laminatfolie
3: Solarzelle
5: strukturierte Oberfläche der Laminatfolie
7: ebene Oberfläche der Laminatfolie
9: Strukturierung
11: erste tieferliegende Bereiche
12: zweite tieferliegende Bereiche
13: höherliegende Bereiche
15: tiefstliegende Regionen
17: höchstliegende Regionen
19: Vertiefungen
21: Zellverbinder
23: Überlappungsbereiche
25: Photovoltaikmodul
27: erste Richtung
29: zweite Richtung
31: erste Solarzellen-Oberfläche
33: zweite Solarzellen-Oberfläche
35: Presskraft
37: Frontseitenplatte
39: Rückseitenplatte
Dt: Schichtdicke der tieferliegenden Bereiche
Dh: Schichtdicke der höherliegenden Bereiche
S: lateraler Abstand zwischen benachbarten tieferliegenden Bereichen
B: Breite höherliegender Bereiche
H: Überstehhöhe höherliegender Bereiche
d: Dicke der Solarzellen
h: Höhe der Zellverbinder

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2005050928 A [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Song et. al. „Numerical Simulation of the evolution of stress in solar cells during the entire manufacturing cycle of a conventional silicon wafer based photovoltaic laminate“, IEEE J. Photovoltaics, 8 (2017) 210 -217 [0075]

Claims

Laminatfolie (1, 2) zum Einbetten von Solarzellen (3) zur Bildung eines Photovoltaikmoduls (25), wobei die Laminatfolie (1, 2) mit einem vernetzbaren und/oder thermoplastisch verformbaren Material ausgebildet ist und wobei die Laminatfolie (1, 2) zumindest an einer ihrer Oberflächen (5) eine Strukturierung (9) mit tieferliegenden Bereichen (11, 12) und höherliegenden Bereichen (13) aufweist, wobei die tieferliegenden Bereiche (11, 12) länglich ausgebildet sind und eine Längserstreckung von wenigstens 1 cm aufweisen.
Laminatfolie nach Anspruch 1, wobei an den tieferliegenden Bereichen (11, 12) eine Schichtdicke (Dt) der Laminatfolie (1, 2) um wenigstens 50µm geringer ist als eine Schichtdicke (Dh) an den höherliegenden Bereichen (13).
Laminatfolie nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei ein lateraler Abstand (S) zwischen benachbarten tieferliegenden Bereichen (11, 12) größer als 0,5 cm ist.
Laminatfolie nach einem der Ansprüche 1 und 2, wobei ein höherliegender Bereich (13) eine Breite (B), gemessen in einer Erstreckungsebene der Laminatfolie (1, 2) zwischen zwei tiefstliegenden Regionen (15) zweier den höherliegenden Bereich (13) an gegenüberliegenden Seiten begrenzenden tieferliegenden Bereichen (11, 12), und eine Überstehhöhe (H), gemessen senkrecht zur Erstreckungsebene der Laminatfolie (1, 2) zwischen den tiefstliegenden Regionen (15) und einer höchstliegenden (17) Region des höherliegenden Bereichs (13), aufweist, wobei ein Aspektverhältnis B:H aus Breite zu Höhe kleiner ist als 1:1.
Laminatfolie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei die Laminatfolie (1, 2) sowohl erste tieferliegende Bereiche (11), die sich innerhalb einer Erstreckungsebene der Laminatfolie (1, 2) entlang einer ersten Richtung (27) erstrecken, als auch zweite tieferliegende Bereiche (12), die sich innerhalb der Erstreckungsebene der Laminatfolie (1, 2) entlang einer zu der ersten Richtung (27) quer verlaufenden zweiten Richtung (29) erstrecken, aufweist.
Laminatfolie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Vertiefung (19), welche durch einen der tieferliegenden Bereiche (11, 12) und zwei höherliegende Bereiche (13), die diesen tieferliegenden Bereich (11, 12) an gegenüberliegenden Seiten begrenzen, gebildet wird, einen rechteckigen, quasi-rechteckigen, dreieckigen oder einen quasi-dreieckigen Querschnitt aufweist.
Laminatfolie nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine (7) der Oberflächen (5, 7) der Laminatfolie im Wesentlichen eben ist.
Verfahren zum Fertigen einer Laminatfolie (1, 2), insbesondere einer Laminatfolie (1, 2) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche, wobei das Verfahren umfasst: Bereitstellen einer Folie mit einem vernetzbaren und/oder thermoplastisch verformbaren Material; Bearbeiten der Folie derart, dass zumindest an einer (5) ihrer Oberflächen (5, 7) eine Strukturierung (9) mit tieferliegenden Bereichen (11,12) und höherliegenden Bereichen (13) gebildet wird, wobei die tieferliegenden Bereiche (11, 12) länglich ausgebildet sind und eine Längserstreckung von wenigstens 1 cm aufweisen.
Verfahren nach Anspruch 8, wobei das Bearbeiten der Folie durch Prägen oder Kalandrieren der Folie erfolgt.
Verfahren zum Einbetten von Solarzellen (3) zur Bildung eines Photovoltaikmoduls (25), wobei das Verfahren aufweist: Bereitstellen einer ersten und einer zweiten Laminatfolie (1, 2), wobei zumindest die erste Laminatfolie (1) eine Laminatfolie (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ist; Bereitstellen der Solarzellen (3); Anordnen der Solarzellen (3) mit einer ersten Solarzellen-Oberfläche (31) angrenzend an die mit der Strukturierung (9) versehene Oberfläche (5) der ersten Laminatfolie (1) und mit einer der ersten Solarzellen-Oberfläche (31) entgegengesetzten zweiten Solarzellen-Oberfläche (33) angrenzend an eine Oberfläche (5) der zweiten Laminatfolie (2); Verpressen der ersten und zweiten Laminatfolie (1, 2) mit den dazwischen angeordneten Solarzellen (3) unter erhöhter Temperatur.
Verfahren nach Anspruch 10, wobei die Solarzellen (3) über Zellverbinder (21), welche benachbarte Solarzellen (3) elektrisch miteinander verbinden, zu Strings verschaltet sind, wobei die Strukturierung (9) der ersten Laminatfolie (1) derart ausgebildet ist und die Solarzellen (3) derart an der mit der Strukturierung (9) versehenen Oberfläche (5) der ersten Laminatfolie (1) angeordnet sind, dass die Zellverbinder (21) vor dem Verpressen zumindest teilweise in den tieferliegenden Bereichen (11,1 2) der ersten Laminatfolie (1) aufgenommen sind.
Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Zellverbinder (21) eine Höhe von mehr als 150 µm aufweisen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die Solarzellen (3) in Überlappungsbereichen (23) einander schindelartig überlappend angeordnet werden, wobei die Strukturierung (9) der ersten Laminatfolie (1) derart ausgebildet ist und die Solarzellen (9) derart an der mit der Strukturierung (9) versehenen Oberfläche (5) der ersten Laminatfolie (1) angeordnet sind, dass die Überlappungsbereiche (23) vor dem Verpressen zumindest teilweise in den tieferliegenden Bereichen (11,12) der ersten Laminatfolie (1) aufgenommen sind.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die zweite Laminatfolie (2) ebenfalls eine Laminatfolie gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ist und die zweite Solarzellen-Oberfläche (33) angrenzend an die mit der Strukturierung (9) versehene Oberfläche (5) der zweiten Laminatfolie (2) angeordnet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Solarzellen (3) zusammen mit Zellverbindern (21), welche benachbarte Solarzellen (3) elektrisch miteinander verbinden sollen, auf der ersten Laminatfolie (1) positioniert werden und die Zellverbinder (21) anschließend mit den auf der ersten Laminatfolie (1) liegenden Zellverbindern verlötet werden.