DE19950893A1 - Solarmodul mit einer Randversiegelung - Google Patents

Solarmodul mit einer Randversiegelung

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Abstract

Bei einem Solarmodul mit zwischen zwei Platten, insbesondere Glasplatten, angeordneten und mit einer Gießmasse versiegelten Dünnschicht-Solarzellen, insbesondere mit Chalkopyrit-Absorberschicht, wobei am äußeren Rand der Platten eine Randversiegelung vorgesehen ist, und elektrische Anschlüsse der Solarzellen aus dem umschlossenen Raum nach außen geführt sind, wird die Randversiegelung erfindungsgemäß durch einen mit einem Feuchtigkeit absorbierenden Mittel versehenen Abstandhalter und einen diesen Elastomerstrang außen umgebenden Kleberstrang gebildet.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Solarmodul mit einer Randversiegelung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
Aus DE 195 14 908 C1 ist ein Verfahren zum Herstellen eines Solarmoduls bekannt, bei dem Polyether-Polyurethane als Gießmasse zum Versiegeln der zwischen zwei Glas­ scheiben eingebetteten Dünnschicht-Solarzellen verwendet werden.
Nach dem Fixieren der Solarzeilen auf einer Trägerplatte werden die elektrischen Verbin­ dungen zwischen den einzelnen Solarzellen (Reihenschaltung) hergestellt und elektrische Sammel-Anschlußleitungen an vorgegebenen Stellen über den Rand der Trägerglasplatte nach außen geführt. Sodann wird entlang dem Scheibenrand ein Kleberstrang abgelegt, beispielsweise aufextrudiert, der einerseits für die Randabdichtung des Solarmoduls und andererseits als Abstandshalter zwischen den beiden Glasscheiben dient. Zur Zusam­ mensetzung des Kleberstrangs wird, abgesehen von seiner Extrudierbarkeit, nichts aus­ gesagt, auch nicht über die Bauart der Solarzellen.
In zwei diagonal gegenüberliegenden Eckbereichen des Kleberstrangs werden Rohrab­ schnitte eingelegt, die zum späteren Füllen und Entlüften des Hohlraums zwischen den beiden Glasscheiben dienen. Sodann wird die vorderseitige Glasscheibe aufgelegt. Die beiden Glasscheiben werden dann bis auf den gewünschten Abstand zusammengepreßt.
Danach wird die Gießharzmischung in den Hohlraum zwischen den beiden Glasscheiben eingefüllt, wobei das Solarmodul vorzugsweise in etwa senkrechter Stellung ausgerichtet und die Gießharzmasse durch das untere Röhrchen eingefüllt wird, während das obere Röhrchen zur Entlüftung dient. Nach dem Füllen werden die beiden Röhrchen entfernt und die Öffnungen mit Klebermasse abgedichtet.
Das derart blasenfrei gefüllte Solarmodul wird nun in einen Autoklaven gegeben. Die Temperatur des Autoklaven wird auf etwa 40°C, und der Überdruck im Autoklaven auf etwa 0,6 bar eingestellt. Unter diesen Bedingungen polymerisiert das Gießharz und ist nach 60 Minuten vollständig ausgehärtet. Nach dem Entfernen aus dem Autoklaven ist das Solarmodul einsatzbereit. In der Fertigungspraxis dieser Solarmodule kommt man auch ohne Überdruck im Autoklaven aus.
Eine verbreitete Bauart von Solarzellen ist mit einer Absorberschicht mit Kupfer, Indium und Selen, mitunter auch mit Schwefel anstelle des Selens, als Bestandteilen (sog. CIS- Absorberschichten) aufgebaut. Der Absorberschicht kann auch Gallium beigefügt werden (CIGS-Absorberschichten). Allgemein und im folgenden bezeichnet man sie als Chalko­ pyrit-Absorberschichten. Man weiß, daß deren fotovoltaischer Wirkungsgrad bei Eindrin­ gen von Feuchtigkeit bzw. Eindiffundieren von Wassermolekülen nennenswert vermindert wird, auch ohne sichtbare Beeinträchtigung des optischen Eindrucks.
Bei ausgeführten Solarmodulen des eingangs genannten Typs mit Chalkopyrit-Absorber­ schicht wurde ein Acrylatband als Randabdichtung verwendet (im Handel als 3M Isotac 4918 erhältlich). Es hat sich gezeigt, daß Solarmodule mit dieser Abdichtung nach Durch­ laufen des Damp-Heat-Tests nach IEC 61215 (IEC = International Energy Commission) zwar optisch einwandfrei waren, daß aber ihr Wirkungsgrad in Folge von in die Chalko­ pyrit-Absorberschicht eindiffundierten Wassermolekülen um mehr als 20% verringert war. Nach IEC 1646 ist jedoch nur eine Verringerung von 5% erlaubt.
Der erwähnte Damp-Heat-Test besteht im wesentlichen aus einer Lagerung der Solarmo­ dule über 1000 Stunden bei 85°C und 85% relativer Feuchtigkeit. Es hat sich gezeigt, daß die Eindiffusion von Wassermolekülen progressiv mit der Dauer des Einsatzes zu­ nimmt.
Bekannt ist es in diesem Zusammenhang (DE 197 33 913 Al), zum Herstellen einer kli­ mastabilen Verkapselung von Dünnschicht-Bauelementen, z. B. Solarmodulen mit Chal­ kopyrit-Absorberschicht, einen zwischen einem Rahmen und der Umrandung des Bauele­ ments gebildeten Hohlraum mit einem Trockenmittel zum Absorbieren von Feuchtigkeit auszufüllen. Dadurch soll insbesondere ein feuchtigkeitsbedingtes Eintrüben des verwen­ deten Laminatklebers sowie Korrosion der stromabführenden Lötbänder für die elektri­ sche Außenkontaktierung der Module vermieden werden.
Nach DE 195 03 510 C2 können Verbundglasscheiben, die mit einer in den Verbund ein­ gebetteten Wärme reflektierenden Beschichtung versehen sind, randseitig versiegelt wer­ den, indem die Beschichtung nicht bis zum äußeren Rand geführt wird und der umlaufen­ de randseitige Spalt zwischen den beiden Glasscheiben mit einem eingespritzten Polymer versiegelt wird, das mit dem den Verbund herstellenden Polymer verschmelzbar ist.
Es ist auch bekannt (DE 41 31 393 C2), die Innenseiten der Einzelscheiben einer her­ kömmlichen Isolierglasscheibe mit Solarzellen zu bestücken, wobei deren elektrische An­ schlüsse über den Randverbund aus dem gasdicht abgeschlossenen Innenraum heraus­ geführt sind. Der Randverbund besteht dort aus einem Abstandhalterahmen, dessen Ver­ klebung mit den Glasscheiben und einer außenliegenden Versiegelung konventioneller Art. In dieser Druckschrift werden auch in Gießharz eingebettete Solarzellen beschrieben, die ebenfalls durch eine Randabdichtung gegen Einflüsse von außen geschützt sind. Die Zusammensetzung dieser Randabdichtung wird jedoch nicht näher erörtert.
Zum Abdichten der Scheibenzwischenräume von Isolierglasscheiben ist es bekannt, in den Abstandhalterahmen, der aus einem geklebten Metallprofil oder aus einem Elasto­ merstrang gefertigt sein kann, ein Trockenmittel als Feuchtigkeitsabsorbens einzubringen. Das Trockenmittel wird auch als Molsieb bezeichnet.
Ist der Abstandhalter nur aus einem Elastomer gefertigt ("thermoplastic spacer", kurz TPS), so wird das Trockenmittel der Kunststoffmasse vor dem Auftrag (z. B. Extrudieren) auf den Glasscheibenrand beigemischt. Eine handelsübliche Mischung (Naftotherm® BUTPS der Firma Chemetall GmbH) für einen thermoplastischen Abstandhalter besteht aus Polyisobutylen als Basis und Zeolithpulver als Trockenmittel. Dieses lösungsmittelfreie, einkomponentige Material ist extrudierfähig im Bereich von ca. 140-160°C und haftet gut an Glas.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine noch weiter verbesserte Abdichtung eines Dünnschicht-Bauelements mit einer Chalkopyrit-Absorberschicht anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die Merkmale der Unteransprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen dieses Gegen­ stands an.
Demnach wird ausgehend von einem Solarmodul nach DE 195 14 908 C1 der Abstand­ halter zunächst mit einem Molsieb kombiniert, so daß etwa eindringende Feuchtigkeit im Randbereich gebunden wird. Ferner wird der Randspalt umlaufend mit einem Kleber, z. B. Polysulfid, ausgefüllt, welcher eine zusätzliche Sperre gegen Feuchtigkeit darstellt. Außer­ dem wird der thermoplastische Abstandhalter durch diesen zusätzlichen Kleber mecha­ nisch entlastet, so daß der Modul auch widerstandsfähiger ist.
Es kann von Vorteil sein, auf die Flächen der Platten, welche den Solarmodul einschlie­ ßen, randseitig einen Haftvermittler aufzutragen, um die Haftung zwischen dem polyme­ ren Abstandhalter und dem Kleber einerseits und dem Glas andererseits zu verbessern.
Einen wirksamen Schutz gegen Alterung und Versprödung der randseitigen Verklebung oder Versiegelung der Solarmodule durch den UV-Anteil des Sonnenlichts kann eine opake Farbschicht leisten, welche zumindest auf die im Einbauzustand der Sonnenein­ strahlung zugewandte Platte des Solarmoduls randseitig aufgebracht wird. Solche rand­ seitigen Farbschichten, die z. B. durch Siebdrucken und nachfolgendes Einbrennen her­ gestellt werden können, sind allgemein bei eingeklebten Fahrzeugscheiben gebräuchlich.
Wenn die elektrischen Anschlüsse über den Rand einer der Platten nach außen geführt werden sollen, so werden sie nach einer zweckmäßigen Ausführung zumindest im Be­ reich der Randversiegelung durch Kupferbänder gebildet, welche einerseits mit der Platte stoffschlüssig und flächig, z. B. durch Kleben oder Löten mit einem zum Verbinden von Metall mit Glas geeigneten Lot, verbunden und andererseits von der Randversiegelung überdeckt sind. Auf diese Weise wird das Herstellen der Randversiegelung durch Extrudie­ ren an den betreffenden Durchführungen nur minimal beeinträchtigt und gleichwohl eine gute Abdichtung dieser Stellen geschaffen.
Eine besonders einfache Fertigung der Randversiegelung durch Extrudieren ergibt sich jedoch, wenn die elektrischen Anschlüsse der Solarzellen nicht über den Rand einer der Platten, sondern über einen Durchbruch in einer Plattenfläche nach außen geführt sind und somit beim Extrudieren der Randversiegelung nicht gesondert beachtet werden müs­ sen. Dieser Durchbruch läßt sich nach dem Durchführen der Anschlüsse zuverlässig mit einer geeigneten Dichtmasse verschließen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel eines Solarmoduls gemäß der Erfindung wer­ den Dünnschicht-Solarzellen in an sich bekannter Weise unmittelbar auf einer der (Glas-) Platten des Moduls aufgebaut. Zunächst wird eine metallische Rückelektrode, z. B. aus Molybdän (Mo), aufgebracht. Sodann wird eine Chalkopyrit-Absorberschicht auf der Mo- Rückelektrode erzeugt. Schließlich wird eine transparente Frontelektrode, z. B. aus Zink­ oxid (ZnO) auf die Absorberschicht aufgebracht. Die Rückelektrode und die Frontelektro­ de können vorzugsweise durch magnetfeldunterstützte Kathodenzerstäubung abgeschie­ den werden. Gegebenenfalls ist in bekannter Weise zwischen der Chalkopyrit-Absorber­ schicht und der Frontelektrode eine Pufferschicht vorzusehen.
In bekannter Weise wird durch Unterteilen ("Strukturieren") der gesamtflächigen Mehr­ fachschicht und geeignete leitende Verbindungen eine Mehrzahl von elektrisch in Reihe geschalteten Solarzellen hergestellt. Die beiden elektrischen Außenanschlüsse werden über den Rand der Platte nach außen gelegt; zumindest im Bereich der noch herzustel­ lenden Randversiegelung werden sie vorzugsweise als flache Kupferbänder ausgeführt, welche durch Kleben oder Löten flächig mit der darunterliegenden Platte verbunden wer­ den. Es ist ein relativ großer Leitungsquerschnitt erforderlich, um die volle elektrische Lei­ stung der Solarzellen sicher ableiten zu können. Deshalb kommen durch Siebdrucken von leitfähigen Pasten erzeugbare Ableitungen für diese Anwendung nicht in Betracht.
In einer Variante werden die elektrischen Außenanschlüsse des Solarmoduls durch ein Loch in der Fläche der Platte nach außen geführt. Damit wird jegliche Beeinträchtigung der Randabdichtung durch die Leitungsdurchführung vermieden.
Nun wird analog zu der in der eingangs erörterten DE 195 14 908 C1 offenbarten Weise entlang dem Rand der Platte, jedoch mit geringem Abstand nach innen versetzt, ein Ab­ standhalter aus einem mit Trockenmittel vermischten thermoplastischen Material, vor­ zugsweise aus dem bereits erwähnten Produkt, aufgetragen. Darauf wird die zweite trans­ parente Platte des Moduls aufgelegt, und beide Platten werden auf den gewünschten Ab­ stand zusammengedrückt. Nun wird der den Abstandhalter noch zusätzlich nach außen abdichtende Kleberstrang in den verbleibenden Randspalt eingefüllt.
Mit geeigneten Werkzeugen können jedoch der Abstandhalter und der Kleberstrang ab­ weichend von der vorerwähnten Methode koextrudiert werden, d. h. in einem Arbeitsgang werden beide Stränge nebeneinander auf der mit den Solarzellen versehene Platte abge­ legt, bevor die zweite Platte aufgelegt wird.
Es versteht sich, daß mindestens eine Einfüllöffnung für die noch einzufüllende transpa­ rente Vergußmasse sowie mindestens eine Entlüftungsöffnung vorzusehen sind.
Nach dem Einfüllen der transparenten Vergußmasse sind die Einfüll- und Entlüftungsöff­ nungen dicht zu verschließen. Das Aushärten oder Ausreagieren der Vergußmasse kann ggf. in ebenfalls bekannter Weise in einem Autoklaven unter Einwirkung von Wärme und bei Bedarf von Druck ablaufen.
Nach dieser Behandlung ist der Solarmodul einsatzbereit. Durch die ausgehärtete Ver­ gußmasse sind die beiden Platten ähnlich wie eine Verbundglasscheibe flächig sehr fest miteinander verbunden; die doppelte Randversiegelung gemäß der Erfindung stellt dar­ über hinaus sicher, daß auch bei langwährendem Einsatz derartiger Solarmodule im Frei­ en mit wechselnden klimatischen Bedingungen keine Ausfälle infolge von eindringender Feuchtigkeit zu erwarten sind.

Claims (7)

1. Solarmodul mit zwischen zwei Platten, insbesondere Glasplatten, angeord­ neten und mit einer Gießmasse versiegelten Dünnschicht-Solarzellen, insbeson­ dere mit Chalkopyrit-Absorberschicht, wobei am äußeren Rand der Platten eine Randversiegelung vorgesehen ist, und elektrische Anschlüsse der Solarzellen aus dem umschlossenen Raum nach außen geführt sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Randversiegelung einen mit einem Feuchtigkeit absorbierenden Mittel ver­ sehenen Abstandhalter und einen diesen Elastomerstrang außen umgebenden Kleberstrang umfaßt.
2. Solarmodul nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand­ halter aus einem mit dem Feuchtigkeit absorbierenden Mittel durchmischten ther­ moplastischen Elastomer besteht.
3. Solarmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Platten im randseitigen Bereich des Kontakts mit dem Abstandhalter und dem Kleberstrang mit einem Haftvermittler beschichtet sind.
4. Solarmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zumindest die im Einbauzustand der Sonnenstrahlung zugewandte Platte in ihrem randseitigen Kontaktbereich mit einer opaken Farbschicht bedeckt ist.
5. Solarmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrischen Anschlüsse zumindest im Bereich der Randversie­ gelung durch Kupferbänder gebildet sind, welche einerseits mit der Platte stoff­ schlüssig und flächig verbunden, insbesondere verklebt, und andererseits von der Randversiegelung überdeckt sind.
6. Solarmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die elektrischen Anschlüsse durch eine Ausnehmung in einer der Platten geführt sind, welche mit einer Dichtmasse feuchtigkeitsdicht verschlossen ist.
7. Solarmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Abstandhalter und der Klebestrang durch Koextrudieren neben­ einander abgelegt sind.
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