DE102021111786A1 - Solarmodul und Verwendung einer Schutzschicht - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Solarmodul, aufweisend- ein plattenförmiges Frontseitenelement (10) und ein plattenförmiges Rückseitenelement (11)- ein Verkapselungsmaterial (9), das zwischen dem Frontseitenelement (10) und dem Rückseitenelement (11) angeordnet ist,- eine Mehrzahl an Solarzellen (1), die zwischen dem Frontseitenelement (10) und dem Rückseitenelement (11) angeordnet sind und mittels des Frontseitenelementes (10), des Rückseitenelementes (11) und des die Solarzellen (1) umschließenden Verkapselungsmaterials (9) in Form eines Laminats in einem Verkapselungsvolumen witterungsbeständig verkapselt sind,- Zellverbinder (12), die derart angeordnet und ausgebildet sind, die Solarzellen (1) miteinander elektrisch zu verschalten,wobei eine Metallisierung (4, 8) der Solarzellen (1) und/oder die Zellverbinder (12) ganzflächig oder zum Großteil mit einer Schutzschicht (5) versehen sind. Ferner betrifft die Erfindung eine Verwendung einer metallfreien Schutzschicht zum Beschichten einer Metallisierung (4, 8) einer Solarzelle (1) und/oder eines Zellverbinders (12), der vorgesehen ist, mehrere Solarzellen (1) in einem Solarmodul elektrisch miteinander zu verschalten.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Solarmodul und eine Verwendung einer Schutzschicht. Üblicherweise weist ein Solarmodul ein plattenförmiges Frontseitenelement, ein plattenförmiges Rückseitenelement und ein Verkapselungsmaterial für Solarzellen auf, das zwischen dem Frontseitenelement und dem Rückseitenelement angeordnet ist. Zudem weist das Solarmodul eine Mehrzahl an Solarzellen auf, die zwischen dem Frontseitenelement und dem Rückseitenelement angeordnet sind und mittels des Frontseitenelementes, des Rückseitenelementes und des die Solarzellen umschließenden Verkapselungsmaterials in Form eines Laminats in einem Verkapselungsvolumen witterungsbeständig verkapselt sind. Das Solarmodul enthält weiterhin Zellverbinder, die derart angeordnet und ausgebildet sind, die Solarzellen miteinander elektrisch zu verschalten.
  • Das Solarmodul hat eine Frontseite, durch die bei Betrieb das Sonnenlicht eintritt, und eine Rückseite, die der Frontseite gegenüberliegt und von dem Sonnenlicht abgewandt ist.
  • Die insbesondere auf Halbleiter-Wafer-Basis hergestellten Solarzellen weisen ebenfalls jeweils eine Frontseite, durch die bei Betrieb das Sonnenlicht eintritt, und eine Rückseite auf, die der Frontseite gegenüberliegt und vom Sonnenlicht abgewandt ist. Jede Solarzelle weist ein Substrat und eine Metallisierung üblicherweise in Form einer Frontseiten-Metallisierung und einer Rückseiten-Metallisierung auf, zwischen denen sich das Substrat befindet. In dem Solarmodul stehen die Frontseiten-Metallisierungen und die RückseitenMetallisierungen der Solarzellen in mechanischem Kontakt mit dem Verkapselungsmaterial.
  • Bei Betrieb des Solarmoduls kann das Verkapselungsmaterial durch einen Einfluss von Wärme und Feuchtigkeit unter Freisetzung von einem oder mehreren korrosiven Reaktionsprodukten reagieren. Die Feuchtigkeit dringt in der Regel über die umlaufenden Kanten des Solarmoduls in das Solarmodullaminat ein. Das Frontseiten- und Rückseitenelement sind üblicherweise dauerhaft wetterfest. Der kritische Bereich sind die Kanten des Solarmodullaminats. An diesen werden zwar strukturelle Schutzmaßnahmen gegen das Eindringen von Flüssigkeit vorgesehen, jedoch bieten diese im Vergleich zur dauerhaften Dichtheit des Fronseiten- und des Rückseitenelements gegenüber eindringender Feuchtigkeit nicht die gleiche Barrierewirkung. Wenn das Verkapselungsmaterial EVA (Ethylenvinylacetat) ist, kann aufgrund eindringender Feuchtigkeit Essigsäure als korrosives Reaktionsprodukt durch Hydrolyse des EVA entstehen.
  • Das oder die korrosiven Reaktionsprodukte reagieren wiederum mit den Front- und Rückseitenmetallisierungen der Solarzelle, was zu Fehlerbildern führt. Wenn die Frontseiten-Metallisierungen als Fingerelektroden ausgebildet sind, führt eine Reaktion zwischen den Fingerelektroden und dem korrosiven Reaktionsprodukt beispielsweise zu einer Fingerkorrosion (finger contact loss / FCL) und einem Leistungsverlust der Solarmoduls. Auch die ebenfalls mögliche Korrosion der elektrischen Zellkontaktierung in Form von Zellverbindern führt zu erheblichen Leistungsverlusten des Solarmoduls.
  • Um dieses Problem zu lösen, ist aus einem druckschriftlich nicht belegten Stand der Technik bekannt, das Solarmodul mit vollflächigen Außen-Barrieren wie Metallisierungen, Metallfolien, Polymere oder dgl. zu versehen oder Verkapselungsmaterialien mit besserer Barrierewirkung einzusetzen. Es besteht jedoch weiterhin ein Bedarf an einem Solarmodul mit einer optimierten Langzeitleistung und Beständigkeit angesichts eindringender Feuchtigkeit.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Solarmodul mit einer optimierten Langzeitleistung bereitzustellen.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein Solarmodul gemäß Anspruch 1 und eine durch eine Verwendung gemäß Anspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Modifikationen und Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
  • Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine Metallisierung der Solarzellen und/oder die Zellverbinder ganzflächig oder zum Großteil mit einer Schutzschicht versehen sind.
  • Die Erfindung basiert auf der Grunderkenntnis, dass insbesondere eine Zersetzung des Verkapselungsmaterials die Metalle aus der Metallisierung der Solarzelle korrodiert. Untersuchungen der Erfinder haben gezeigt, dass die vorgesehene Schutzschicht diese Korrosion verhindert oder zumindest signifikant reduziert. Durch das Aufbringen der Schutzschicht wird eine Wechselwirkung und/oder eine Reaktion zwischen der Solarzellen-Metallisierung und dem Verkapselungsmaterial unterbunden, die zu Degradationseffekten führen, so dass ein Schutz für die Frontseiten-Metallisierung und/oder die Zellverbinder erreicht wird. Das Solarmodul erhält dadurch eine verbesserte Langzeitstabilität hinsichtlich der erbrachten Leistung.
  • Unter dem Ausdruck „zum Großteil mit einer Schutzschicht versehen“ ist zu verstehen, dass >90%, bevorzugt >95% ihrer jeweiligen Oberfläche mit der Schutzschicht versehen sind. Dabei ist eine Oberfläche gemeint, die nicht mit weiteren Bestandteilen der Solarzelle in Kontakt ist, vielmehr ist eine freiliegende Oberfläche der Frontseiten-Metallisierung und/oder des Zellverbinders gemeint, wenn die Solarzelle fertig hergestellt, um in das Verkapselungsmaterial einlaminiert zu werden.
  • Bei der mit der Schutzschicht versehenen Metallisierung der Solarzellen kann es sich um die jeweilige Frontseiten-Metallisierung und/oder Rückseiten-Metallisierung der Solarzellen handeln.
  • Die Solarzellen können als monofaziale oder bifaziale Solarzellen ausgebildet sein. Monofaziale Solarzellen können nur auf ihre Vorderseite einfallendes Licht verwerten, während eine bifaziale Solarzelle einfallendes Sonnenlicht von zwei Seiten ausnutzen kann. Die bifaziale Solarzelle kann nicht nur einen direkten Lichteinfall über die Frontseite, sondern auch einen direkten oder indirekten Lichteinfall über die Rückseite verwerten, letzteres beispielsweise in Form reflektierten Sonnenlichts. Die monofaziale Solarzelle weist bevorzugt die Frontseiten-Metallisierung in Form von Fingerelektroden und die Rückseiten-Metallisierung in Form einer vollflächigen Metallisierung auf. Die bifaziale Solarzelle weist bevorzugt die Frontseiten-Metallisierung in Form von Fingerelektroden und die Rückseiten-Metallisierung in Form von Fingerelektroden auf. Bevorzugt ist die Metallisierung mit der Schutzschicht versehen, wenn sie in Form von Fingerelektroden vorliegt.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Frontseiten-Metallisierung der Solarzellen ganzflächig oder zum Großteil mit der Schutzschicht versehen. Diese Ausführungsform ist insbesondere bevorzugt, wenn die Solarzellen monofaziale Solarzellen sind, die eine Frontseiten-Metallisierung in Form von Fingerelektroden und die Rückseiten-Metallisierung in Form einer vollflächigen Metallisierung aufweisen.
  • Wenn die Solarzellen bifazial ausgebildet sind, und sie die Frontseiten-Metallisierung in Form von Fingerelektroden und die Rückseiten-Metallisierung in Form von Fingerelektroden aufweisen, sind bevorzugt die Frontseiten-Metallisierung der Solarzellen und die Rückseiten-Metallisierung der Solarzellen mit der Schutzschicht versehen.
  • Entsprechend zum Einsatz der jeweiligen Solarzellen mit bifazialen oder monofazialen Eigenschaften ist auch das mit diesen Solarzellen hergestellte Solarmodul bifazial oder monofazial ausgebildet. Bei dem bifazialen Solarmodul wird vorzugsweise eine für Licht weitestgehend transparente Folie oder ein Glas als Rückseitenelement verwendet. So kann Licht, dass ungenutzt durch das Modul geht und reflektiertes Licht aus der Umgebung über die Rückseite des Solarmoduls genutzt werden.
  • Die Solarzellen weisen bevorzugt jeweils die Frontseiten-Metallisierung in Form von Fingerelektroden auf. Bevorzugt sind die Fingerelektroden ganzflächig oder zum Großteil mit der Schutzschicht versehen, während die restliche Frontseite der Solarzelle schutzschichtlos, d.h. nicht mit ihr versehen, ist. Unter den Ausdruck „schutzschichtlos“ bedeutet, dass dabei von Überlappungen der Schutzschicht im Submillimeterbereich am Rande der Fingerelektroden abgesehen wird. Durch die Schutzschicht werden Fingerkorrosion und FLC verhindert oder zumindest reduziert.
  • Wenn die Solarzellen jeweils die Rückseiten-Metallisierung in Form von Fingerelektroden aufweisen, sind diese Fingerelektroden bevorzugt ebenfalls ganzflächig oder zum Großteil mit der Schutzschicht versehen, während die restliche Rückseite der Solarzelle schutzschichtlos, d.h. nicht mit der Schutzschicht versehen, ist.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Material der Schutzschicht ausgewählt, aus der Gruppe, bestehend aus Lack, Polyolefin und/oder selbstorganisierende Monoschicht.
  • Die selbstorganisierende Monoschicht weist bevorzugt eine langkettige Verbindung mit einer funktionellen Gruppe auf, die ausgebildet ist, eine Chemisorption an einer Metalloberfläche auszuführen. Bevorzugter besteht die selbstorganisierende Monoschicht, auch SAM (Self-Assembled Monolayer) genannt, aus dieser Verbindung. Die Metalloberfläche ist bevorzugte eine Silber- und/oder Aluminiumoberfläche. Unter den Ausdruck „langkettig“ ist bevorzugt eine Kohlenstoffkette mit mindestens 6, bevorzugt 10, bevorzugter 12, kettenartig angeordneten Kohlenstoffatomen, zu verstehen. Bei der Kette handelt es sich bevorzugt um eine Alkylkette. Alternativ oder zusätzlich bevorzugt kann die Kohlenstoffkette auch Alken-, Alkin- oder Aromaten-Einheiten aufweisen.
  • Bevorzugt weist die Frontseiten-Metallisierung Silber- und/oder Aluminium auf. Bevorzugter besteht sie im Wesentlichen aus Silber und/oder Aluminium. Die Rückseiten-Metallisierung weist bevorzugt ebenfalls Silber und/oder Aluminium auf oder besteht im Wesentlichen aus Silber und/oder Aluminium.
  • Bevorzugt basiert die selbstorganisierende Monoschicht auf einem oder mehreren Alkylaminen, einem oder mehreren Alkanthiolen und/oder einer oder mehreren Carboxylsäuren. Die funktionellen Gruppen der genannten Verbindungen können, wenn gewünscht, mit Schutzgruppen versehen sein.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Lack organisch. D.h., er enthält mindestens eine organische Verbindung, die die Schutzschicht ausbildet.
  • Das Polyolefin ist beispielsweise in Form eines Polyolefin-Streifens auf die Zellverbinder und/oder auf die Metallisierung aufbringbar.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Schutzschicht metallfrei. D.h., dass das Ausgangsmaterial der Schutzschicht metallfrei ist, und die Schutzschicht an sich kein Metall enthält, aber ausgebildet ist mit der Metalloberfläche der Metallisierung oder den Zellverbindern eine Chemiesorption auszuführen.
  • Bevorzugt ist das Verkapselungsmaterial EVA (Ethylenvinylacetat). EVA ist ein transparenter Kunststoff. Bei der Solarmodulherstellung schmilzt dieses Verkapselungsmaterial bei hohen Temperaturen in einem Laminator und umschließt die Solarzellen, die dadurch vor Umwelteinflüssen geschützt sind.
  • Die Erfindung betrifft ferner eine Verwendung einer metallfreien Schutzschicht zum Beschichten einer Metallisierung einer Solarzelle und/oder eines Zellverbinders, der vorgesehen ist, mehrere Solarzellen in einem Solarmodul elektrisch miteinander zu verschalten.
  • Zu dem Solarmodul beschriebene Vorteile, Modifikationen und Weiterbildungen der Schutzschicht gelten für die Verwendung der Schutzschicht entsprechend. Die verwendete Schutzschicht entspricht der vorstehend in Bezug auf das Solarmodul beschriebenen Schutzschicht.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen schematisch und nicht maßstabsgerecht:
    • 1 eine Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß Stand der Technik;
    • 2 eine Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß einer ersten Ausführungsform; und
    • 3 eine Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform.
  • 1 zeigt eine Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß Stand der Technik. Das Solarmodul weist ein plattenförmiges Frontseitenelement 10, ein plattenförmiges Rückseitenelement 11 und ein Verkapselungsmaterial 9 auf, das zwischen dem Frontseitenelement 10 und dem Rückseitenelement 11 angeordnet ist. Ferner weist das Solarmodul eine Mehrzahl miteinander elektrisch verschalteter Wafer-Solarzellen 1 auf, von denen exemplarisch nur eine gezeigt ist. Die Solarzellen sind zwischen dem Frontseitenelement 10 und dem Rückseitenelement 11 angeordnet und mittels des Frontseitenelementes 10, des Rückseitenelementes 11 und des die Solarzellen 1 umschließenden Verkapselungsmaterials 9 in Form eines Laminats in einem Verkapselungsvolumen dauerhaft witterungsbeständig verkapselt. Die Solarzelle 1 weist ein Substrat 2 mit einer Frontseite 21 und einer Rückseite 22 auf. Rückseitig, d.h. auf der Rückseite 22, weist die Solarzelle 1 eine Rückseiten-Passivierschicht 3 und eine vollflächig angeordnete Rückseiten-Metallisierung 4 auf. Auf der Frontseite 22 sind eine Dotierschicht 6, eine Frontseiten-Passivierschicht 7 und eine Frontseiten-Metallisierung 8 in Form von Fingerelektroden angeordnet. Die Solarzelle 1 ist mit den weiteren Solarzellen über so genannte Zellverbinder elektrisch miteinander verschaltet, um einen Solarzellen-String auszubilden. Die Zellverbinder und die benachbarten Solarzellen sind nicht dargestellt.
  • 2 zeigt eine Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß einer ersten Ausführungsform. Das in 2 gezeigte Solarmodul entspricht dem in 1 gezeigten Solarmodul mit dem Unterschied, dass die Frontseiten-Metallisierung 8 der Solarzelle 1 ganzflächig oder zum Großteil mit einer Schutzschicht 5 versehen ist. Die Fingerelektrode sind ganzflächig oder zum Großteil mit der Schutzschicht 5 versehen, während die restliche Frontseite der Solarzelle 1 schutzschichtlos ist.
  • 3 zeigt eine Querschnittsansicht eines Solarmoduls gemäß einer zweiten Ausführungsform. Das Solarmodul weist ein plattenförmiges Frontseitenelement 10, ein plattenförmiges Rückseitenelement 11 und ein Verkapselungsmaterial 9 auf, das zwischen dem Frontseitenelement 10 und dem Rückseitenelement 11 angeordnet ist. Ferner weist das Solarmodul eine Mehrzahl an Solarzellen 1 auf, von denen zwei gezeigt sind. Die Solarzellen sind zwischen dem Frontseitenelement 10 und dem Rückseitenelement 11 angeordnet und mittels des Frontseitenelementes 10, des Rückseitenelementes 11 und des die Solarzellen 1 umschließenden Verkapselungsmaterials 9 in Form eines Laminats in einem Verkapselungsvolumen dauerhaft witterungsbeständig verkapselt. Die Solarzellen 1 können gemäß der in 1 oder 2 gezeigten Solarzelle ausgebildet sein. Das Solarmodul weist weiterhin Zellverbinder 12 auf, von denen einer gezeigt ist und die derart angeordnet und ausgebildet sind, dass sie die Solarzellen 1 miteinander elektrisch verschalten. Die Zellverbinder 12 sind ganzflächig oder zum Großteil mit einer Schutzschicht 5 versehen. Diese Schutzschicht 5 schützt die das Metall der Zellverbinder 12 vor Korrosion entsprechend den vorangehend gemachten Ausführungen zur Funktion der Schutzschicht 5 auf der Frontseiten-Metallisierung 8. Die diesbezüglich zur 2 gemachten Ausführungen gelten entsprechend für die in 3 gezeigten Zellverbinder 12.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Solarzelle
    2
    Substrat
    3
    Rückseiten-Passivierschicht
    4
    Rückseiten-Metallisierung
    5
    Schutzschicht
    6
    Dotierschicht
    7
    Frontseiten-Passivierschicht
    8
    Frontseiten-Metallisierung
    9
    Verkapselungsmaterial
    10
    Frontseitenverkapselungselement
    11
    Rückseitenverkapselungselement
    12
    Zellverbinder
    21
    Frontseite
    22
    Rückseite

Claims (9)

  1. Solarmodul, aufweisend - ein plattenförmiges Frontseitenelement (10) und ein plattenförmiges Rückseitenelement (11) - ein Verkapselungsmaterial (9), das zwischen dem Frontseitenelement (10) und dem Rückseitenelement (11) angeordnet ist, - eine Mehrzahl an Solarzellen (1), die zwischen dem Frontseitenelement (10) und dem Rückseitenelement (11) angeordnet sind und mittels des Frontseitenelementes (10), des Rückseitenelementes (11) und des die Solarzellen (1) umschließenden Verkapselungsmaterials (9) in Form eines Laminats in einem Verkapselungsvolumen witterungsbeständig verkapselt sind, - Zellverbinder (12), die derart angeordnet und ausgebildet sind, die Solarzellen (1) miteinander elektrisch zu verschalten, wobei - eine Metallisierung (4, 8) der Solarzellen (1) und/oder die Zellverbinder (12) ganzflächig oder zum Großteil mit einer Schutzschicht (5) versehen sind.
  2. Solarmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen (1) jeweils eine Frontseiten-Metallisierung (8) und/oder eine Rückseiten-Metallisierung (4) in Form von Fingerelektroden aufweisen, wobei die Fingerelektroden ganzflächig oder zum Großteil mit der Schutzschicht (5) versehen sind, während die restliche Frontseite der Solarzelle (1) schutzschichtlos ist.
  3. Solarmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Material der Schutzschicht (5) ausgewählt ist aus der Gruppe, bestehend aus Lack, Polyolefin und/oder selbstorganisierende Monoschicht.
  4. Solarmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstorganisierende Monoschicht eine langkettige Verbindung mit einer funktionellen Gruppe aufweist, die ausgebildet ist, eine Chemisorption an einer Metalloberfläche auszuführen.
  5. Solarmodul nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die selbstorganisierende Monoschicht auf einem oder mehreren Alkylaminen, einem oder mehreren Alkanthiolen und/oder einer oder mehreren Carboxylsäuren basiert.
  6. Solarmodul nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Lack organisch ist.
  7. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schutzschicht (5) metallfrei ist.
  8. Solarmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verkapselungsmaterial (9) EVA (Ethylenvinylacetat) ist.
  9. Verwendung einer metallfreien Schutzschicht zum Beschichten einer Metallisierung (4, 8) einer Solarzelle (1) und/oder eines Zellverbinders (12), der vorgesehen ist, mehrere Solarzellen (1) in einem Solarmodul elektrisch miteinander zu verschalten.
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