DE19950893C2 - Solarmodul mit einer Randversiegelung - Google Patents
Solarmodul mit einer RandversiegelungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf einen Solarmodul mit einer Randversiegelung mit den
Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.
DE 296 05 510 U1 offenbart einen gattungsgemäßen Solarmodul, bei dem elektrische
Anschlüsse randseitig aus dem Zwischenraum der beiden die Solarzellen umgebenden
Platten herausgeführt sind. Der die beiden Platten umlaufend dicht miteinander verbin
dende Randaufbau besteht dort aus einem (inneren) Dichtband. Eine elektrische An
schlußelemente umfassende Isolierhülse ist im Bereich der Leitungsdurchführung entlang
der betreffenden Kante des bekannten Solarmoduls angeordnet. Sie kann gegebenenfalls
teilweise in eine Versiegelungsmasse eingebettet sein. Feuchtigkeit absorbierende Mittel
sind in dieser Druckschrift nicht erwähnt.
US 54 60 660 A offenbart einen Solarmodul mit zwei Platten und einem mit den beiden Plat
ten verklebten starren Abstandhalter-Rahmen aus Stahl oder Glas. Der Abstandhalter
kann als mit einem Feuchtigkeit absorbierenden Mittel gefülltes Hohlprofil ausgeführt sein.
In einer anderen Ausgestaltung ist ein Feuchtigkeit absorbierendes Mittel im Zwischen
raum zwischen den beiden Platten eingefüllt. Als zusätzliche äußere Dichtung des Moduls
kann ein den Abstandhalter umgebender Polyurethanstrang vorgesehen werden.
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 Solarzellen 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.
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 A1), 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 Verklebung
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
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 randseitigen
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 Randversieglung 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
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 (9)
1. Solarmodul mit zwischen zwei Platten angeordneten und mit einer Gieß
masse versiegelten Dünnschicht-Solarzellen, mit einer am äußeren Rand der Plat
ten angeordneten Randversiegelung aus einem Abstandhalter und einem wenig
stens abschnittweise außen auf diesen aufgetragenen Kleberstrang, und mit aus
dem von den Platten umschlossenen Raum nach außen geführten elektrischen
Anschlüssen der Solarzellen, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstandhalter
aus einem mit einem Feuchtigkeit absorbierenden Mittel versehenen Elastomer
strang besteht und dass der Kleberstrang den Elastomerstrang außen umlaufend
umgibt.
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 Kleberstrang aus in einem Arbeitsgang
durch Koextrudieren nebeneinander auf einer der Platten ablegbaren Polymer
massen bestehen.
8. Solarmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Platten aus Glas bestehen.
9. Solarmodul nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Solarzellen eine Chalkopyrit-Absorberschicht umfassen.
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