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Technisches Gebiet
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Die
Erfindung bezieht sich auf das technische Gebiet der elektrischen
Energie erzeugende Module, so wie Solarzellenmodule, die photovoltaische
Filme verwenden. Spezieller bezieht sich die vorliegende Erfindung
auf elektrische Energie erzeugende Module, die speziell für Dächer und
andere architektonische Anwendungen mit nicht glatten Oberflächen geeignet
sind. Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren,
um solche Module herzustellen.
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Stand der Technik
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Von
Solarzellentechnologie erzeugte Energie wird vermehrt mehr als wertvolle,
erneuerbare und allgemein verbreitete Quelle genutzt. Die Solarzellenindustrie
wächst
als Technologie stetig, weil die angewandte Technologie effizienter
wird und billiger herzustellen ist. Eine Solar- oder Photovoltaikzelle – die Begriffe „Solar" und „Photovoltaik" werden hier austauschbar
verwendet – bezieht
sich auf ein diskretes Element, das Licht in elektrische Energie
verwandelt, um ein DC-Strom und -Spannung zu erzeugen. Typischerweise
werden verschiedene solcher Zellen elektrisch in Serie verbunden,
um ein PV-Modul zu schaffen (auch manchmal als Kollektor bezeichnet),
um Energie in einem grösseren
Massstab zu generieren. Allgemein enthält ein PV-Modul die Solarzellen
und andere Hilfsteile, wie Verbindungen, Kontakte, strukturelle
Elemente, Einkapselungsmaterialien und Schutzvorrichtungen wie Dioden.
Das strukturelle (d.h. Last tragende) Element eines Moduls ist oft
entweder eine unteres Schichtenträgermaterial oder ein oberes
Schichtenträgermaterial. Letzteres
muss allgemein transparent sein, um Licht in die PV Zellen zu übertragen.
Eine Anzahl von PV-Modulen kann weiter miteinander verbunden sein,
um eine grössere
Verbundstruktur zu schaffen.
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Das
am weitesten verbreitete Halbleitermaterial, das in Solarzellen
verwendet wird, ist Silizium – entweder
in einkristalliner, polykristalliner oder amorpher Form. Zusätzlich zu
verschiedenen Formen von Silizium können andere Halbleitermaterialien
wie Galliumarsenide, Kupfer-Indium-Diselenide und Kadmiumtelluride
verwendet werden. Kristalline Siliziumsolarzellen werden allgemein
aus einem einen relativen dicken (d.h. ungefähr 200 μm) Siliziumwafer hergestellt,
welcher von einem einkristallinen oder polykristallinen Barren geschnitten
wird. Es ist jedoch in letzter Zeit verbreiteter für Module
von dünneren
Solarzellen, diese auf billigen Trägermaterialien (so wie Glass
oder Plastik) unter Verwendung von bekannten Halbleiterherstellungstechniken
monolithisch abzulagern. Solche dünnen Filme schaffen zahlreiche
Vorteile, wie leichtere und kosteneffektivere Herstellung und sind
besser geeignet für
Massenherstellung (obwohl dies allgemein auf Kosten eines geringeren
Wirkungsgrads geht). Bei der Dünnfilmtechnologie
kann Laserverarbeitung zwischen den verschiedenen Ablagerungsschritten
verwendet werden, um ein grossflächiges
Trägermaterial
in individuelle Zellen zu teilen und diese Zellen können während der
Herstellung elektrisch miteinander monolithisch verbunden werden.
Amorphes Silizium ist besonders für Dünnfilmsolarzellen geeignet
oder wird dort verwendet. Diese PV-Zellen sind typischer Weise durch die
Ablagerung von Silizium geschaffen unter Verwendung einer plasmaverstärkten chemischen
Dampfablagerung von einem reaktiven Gas wie Silan mit mehreren Dotanden,
um eine P-I-N (oder N-I-P) Halbleiterstruktur von einem p-Typ, i-Typ (intrinsisch)
und n-Typ Halbleiterschichten zu schaffen.
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Ein
PV-Modul wird normalerweise in irgendeiner Weise abgedichtet oder
eingekapselt, um die PV-Elemente mechanisch und gegen Korrosion zu
schützen.
Die Dichtung schützt
gegen das Eindringen von Schmutz und Wasser. Die Einkapselung, die die
obere Fläche
von einer Solarzelle schützt,
muss mindestens teilweise transparent sein, so dass mindestens ein
gewisser Prozentsatz der gewünschten Wellenlänge des
Lichtes die Solarzellen erreicht. Um eine robustere und weniger
fragile Konstruktion bereitzustellen, kann die untere Oberfläche eine PV-Moduls
(welche kein Licht zu den Solarzellen durchlassen muss) aus einer
steiferen Grundschicht bestehen, die aus Aluminium oder anderen
geeigneten Materialien geformt ist. PV-Module von dieser Art werden
allgemein durch Laminieren von einem dünnen Film von Solarzellen zwischen
der oberen transparenten Einkapselung und der unteren Grundschicht
geformt, wie zum Beispiel in der
Amerikanischen
Patentanmeldung Nr. 10/688,596 , jetzt
US-A1-2004/0112425 für ein „Photovoltaic
Product and Process of Fabrication thereof".
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Strukturell
steife PV-Module können
auch durch den Gebrauch von dicken Glassschichten als Trägermaterial
oder Trägermaterialien
geformt werden. Solche steifen PV-Module können in architektonischen Anwendungen
angewendet werden, in welchen die Grundschicht angebracht wird,
um flach gegen eine Wand oder eine Dachoberfläche zu liegen. Wenn jedoch
das Dach oder die Wand keine flache Oberfläche haben (zum Beispiel ein
Dach mit gewellten Dachziegeln) erfordert das Anbringen der Module auf
dem Dach die Verwendung einer relativ ausgefeilten Anbringungskonfiguration
unter den Modulen und muss auch sicherstellen, dass die beabsichtigte Funktion
der nicht glatten Oberfläche
(d.h. die Entfernung einer Ausscheidung) nicht eingeschränkt ist. Zusätzlich ist
die Verwendung von flachen PV-Modulen auf unebenen Oberflächen oft
schädlich
für das ästhetische
Aussehen von einem Gebäude
oder einer anderen Struktur.
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EP-A2-0874404 beschreibt
eine Solarzelle, die durch Anwendung eines Arbeitsdruckes gebogen wird,
um ihr die Form und die Steifigkeit zu geben, die benötigt wird,
um sie in derselben Weise als ordentliches Dachmaterial zu verwenden.
Das Modul umfasst eine photovoltaische Schicht mit einem steifen, leitfähigen Trägermaterial.
Eine Unterstützung
ist an die Aussenseite der hinteren Oberfläche angebracht, um die mechanische
Stabilität
des Moduls zu erhöhen,
um ein Solarzellenmodul zu realisieren, welches auch als Dachmaterial
funktionieren kann. Deshalb muss das Material der Unterstützung aus
starken, steifen Materialien ausgewählt werden, die strengen Anforderungen
für Dachbauelemente
genügen
müssen.
Formen und Biegen von dem Modul wird deshalb nur durch die Anwendung
von einem wesentlichen Druck durchgeführt, welche eine teure Druckausrüstung benötigt. Eine
komplizierte Schichtanordnung muss bereitgestellt werden, um hohe
Drücke auf
den inneren Schichten oder schmalen Krümmungsradius zu vermeiden,
welche die Energie erzeugende Schicht beschädigen könnten.
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Das
Modul von
EP-A2-0874404 umfasst
weiter gegenseitig verbundene diskrete, Energie erzeugende, rechtwinklige
Zellen. Der Verbindungsprozess ist ermüdend und teuer; es gibt ein
Bedürfnis
für ein
kontinuierliches Herstellungsverfahren. Zusätzlich werden verschiedene
Zellen an verschiedenen Orten gebogen und deshalb einem verschiedenen Grad
an Sonnenlicht ausgesetzt. Es sei angemerkt, dass, wenn die Zellen
in Serie geschaltet werden, der Strom in dem resultierenden Modul
an den geringsten Strom in irgendeiner Zelle begrenzt ist. Als ein
Ergebnis ist der Wirkungsgrad in dem resultierenden Modul durch
hohe Abschattungsverluste in einigen Zellen deutlich reduziert.
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Eine ähnliche
Lösung
ist in
US2001/0045228 beschrieben.
Wieder umfasst das beschriebene Solarzellenmodul ein steifes zum
Beispiel aus rostfreiem Stahl bestehendes Trägermaterial. Aluminiumgehärtete Halteplatten
werden benötigt,
um in den Bereichen Halt zu geben, in denen keine Solarzellen vorhanden
sind. Biegen benötigt
einen hohen Druck und teure Ausrüstung
und Mittel sind erforderlich, um Schaden an den photovoltaischen
Schichten zu vermeiden.
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Ein
anderes photovoltaisches Modul, in welchem eine Form durch ein steifes
Trägermaterial
gegeben ist, ist in
US-A1-2003/0140959 veröffentlicht. Das
Formen des Trägermaterials
wird nur durch mechanische Belastung erhalten.
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Ein
anderes photovoltaisches Modul ist durch
US-A-5 988 729 offenbart
und lehrt ein Modul, das in einem wellenförmigen Querschnitt ähnlich zu dem
eines Daches geformt ist, in dem sich die Zellen senkrecht zu der
Ebene der Wellenform ausdehnen.
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Solarzellen
können
auch auf einem flexiblen Trägermaterial,
wie solche aus Polyimid oder PET-Kunststoffen, hergestellt werden,
so dass das resultierende Dünnfilm-PV-Modul
eine flexible Struktur hat. Ein Einkapselungsmaterial wie ein Fluorpolymerfilm
(beispielsweise) kann verwendet werden, um das ganze flexible PV-Modul
ohne signifikante Beeinträchtigung
der Flexibilität
des Moduls abzudichten. Ein solches Einkapselungsmodul, welches
in flexiblen PV-Modulen verwendet wird, ist der Tefzel® Film (hergestellt
von der DuPont Firmengruppe) angewendet zusammen mit Etylenvinylacetat
(EVA).
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Weil
flexible PV-Filme unter Verwendung Roll-zu-Roll-Herstellungstechniken hergestellt werden
können,
bieten sie sich besonders für
sehr billige Produktionen im Vergleich mit Filmen an, die unter Verwendung
einer Stapeltechnik hergestellt werden müssen. Die resultierenden flexiblen
Module sind auch leichtgewichtig und in gewissen Typen von Anwendungen
so wie tragbare PV-Lademodule
geeignet, weil sie gewöhnlich
in Röhrenform
gerollt werden können,
um weniger Platz zu verbrauchen, wenn sie nicht in Gebrauch sind.
Zusätzlich
sind flexible PV-Module auch fähig,
eine bessere Integrationsfähigkeit
mit den strukturellen Elementen, die nicht flach sind, bereitzustellen.
Als ein Ergebnis wurden flexible PV-Module beispielsweise in Dachanwendungen
durch das Montieren der Module auf Dachziegeln verwendet, die generell
keine ebene Oberfläche
haben. Wegen ihrer Flexibilität
kann das flexible Modul ungefähr
das Profil von einer nicht flachen Oberfläche erahnen, wie geschwungene
oder gewellte Dachziegel (oder von ähnlich geformten steifen Grundschichten,
die auf diese Ziegel montiert werden müssen). Die meisten flexiblen
PV-Module bleiben jedoch weniger haltbar und sind brüchiger als ihre
steifen Gegenstücke,
was sie weniger attraktiv für
die Anwendung in architektonischen Anwendungen macht, in denen sie
dem Wetter und/oder anderen Umwelteinflüssen ausgesetzt sind. Weiter
bleiben das Formen und das Anbringen von jedem flexiblen PV-Modul,
so dass sein Profil mit dem gewünschten
Profil von den Dachelementen übereinstimmt,
ein relativ arbeitsreicher Vorgang.
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In
Hinblick auf das oben gesagte gibt es klar ein Bedürfnis für ein PV-Modul,
das besser geeignet ist für
Anwendungen (besonders Dach- und architektonische Anwendungen),
in denen es nicht-ebene Oberflächen
mit einem zweidimensionalen Profil, wie gewellte Dächer, gibt.
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DARSTELLUNG DER ERFINDUNG:
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein elektrische Energie erzeugendes
Modul (so wie ein PV-Modul), das insbesondere gut geeignet ist,
um an einem Ort (so wie die Fassade oder Dach von einem Gehäuse) angebracht
und integriert zu werden, wo eine nicht-flache physische Oberfläche entweder vorhanden
oder gewünscht
ist. Dies wird durch Formen des Moduls erreicht, so dass das Modul
ein gewünschtes
zweidimensionales Profil annimmt, um mit einer nicht-flachen Oberfläche oder
einem nicht-flachen zweidimensionalen architektonischen Element übereinzustimmen.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich weiter auf ein Verfahren
zur Herstellung eines solchen elektrische Energie erzeugenden Moduls.
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auch auf ein Modul, in welchem
die Wirkungsgradverluste durch Abschattungen durch profilierte Teile des
Moduls auf anderen Teilen des Moduls reduziert sind.
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Deshalb,
in einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein elektrische
Energie erzeugendes Modul gemäss
Anspruch 1 bereit, welches einen elektrische Energie erzeugenden
Film umfasst, welcher zwischen einer oberen Schicht und einer unteren
Schicht von einem Einkapselungsmaterial abgedichtet ist. Die Art
und Qualität
von dem Einkapselungsmaterial sind derart, dass die Form des Einkapselungsmaterial
verändert
werden kann, wenn mindestens eine Grösse von einer hohen Temperatur und
ein Druck daran angewendet wird, aber unter normalen (d.h. natürlich erscheinenden)
Temperatur- und Druckbedingungen in dem das Einkapselungsmaterial
eine steife Struktur um den elektrische Energie erzeugenden Film
herum bereitstellt. Durch die Anwendung von Druck und/oder Temperatur
wird das Modul geformt, um ein gewünschtes zweidimensionales Profil
zu haben und bereitzustellen. Sobald sich danach das Modul unter
normalen Temperatur- und Druckbedingungen (wie diese draussen vorhanden sind)
befindet, weist dieses eine steife Struktur auf.
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Der
elektrische Energie erzeugende Film umfasst eine Vielzahl von in
Streifen geformten Zellen, die elektrisch miteinander verbunden
sind. Die longitudinale Richtung von jeder in Streifen geformten
Zelle dehnt sich parallel zu einer Ebene aus, die das zweidimensionale
Profil definiert. Deshalb ist das Abschatten von allen in Serie
geschalteten Streifen identisch oder mindestens vergleichbar und
der Wirkungsgrad von dem Modul ist nicht durch Abschattungsverluste
reduziert, die entstehen, wenn Zellen mit verschiedenen Strömen in Serie
miteinander verbunden werden.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst
der elektrische Energie erzeugende Film einen PV-Film (beispielsweise
eine amorphe Silizium-p-i-n-Halbleiterstruktur) und das obere Einkapselungsmaterial
ist mindestens teilweise transparent. Das obere Einkapselungsmaterial
ist auch vorzugsweise UV resistent. Das untere Einkapselungsmaterial
kann dasselbe Material wie das obere Einkapselungsmaterial umfassen,
aber es kann auch unterschiedlich sein.
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In
einem anderen Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren
zur Herstellung solch eines elektrische Energie erzeugenden Moduls
gemäss
Anspruch 24 bereit. Das Verfahren umfasst das Bereitstellen eines
elektrische Energie erzeugenden Films, eine obere Schicht von Einkapselungsmaterial und
eine untere Schicht von Einkapselungsmaterial. Mindestens eine der
Grössen
von einer hohen Temperatur und einem Druck werden dann angewandt, um
den elektrische Energie erzeugenden Film, die obere Schicht von
Einkapselungsmaterial und die untere Einkapselungsmaterial zusammen
zu einem gebundenen Stapel zu verbinden. Weiter werden mindestens
eine der beiden Grössen
eine hohe Temperatur und ein Druck ebenfalls angewendet, um einen gebundenen
Stapel zu formen, um ein Modul mit einem gewünschten zweidimensionalen Profil
bereitzustellen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel umfasst das
Binden die Anwendung einer Temperatur zwischen 70 und 250°C und einen
Druck 0,3 bis 10 bar und das Formen die Anwendung einer Temperatur
zwischen 70 und 250°C
und einen Druck 0,01 bis 1 bar. Das Formen kann unmittelbar nach
dem Verbinden oder sogar gleichzeitig mit dem Verbinden ausgeführt werden.
Nochmals, das Biegen/Formen wird derart ausgeführt, dass sich die longitudinale Richtung
von einer Vielzahl von in Streifen geformten Zellen parallel zu
einer Ebene, die das zweidimensionale Profil definiert, ausdehnt.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die
Ziele und die Vorteile der vorliegenden Erfindung werden besser
verstanden und schnell sichtbar in Verbindung mit der folgenden
detaillierten Beschreibung und begleitenden Zeichnungen, welche
beispielsweise bevorzugte Ausführungsbeispiele der
Erfindung illustrieren und, wobei
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1 eine
Explosionsdarstellung von den verschiedenen Schichten mit einem
PV-Modul vor dem Verbindungsschritt in Übereinstimmung mit einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist;
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2 eine
teilweise Durchschnittsansicht entlang der Linie II-II in 1 ist,
welche eine mögliche
Struktur für
den PV-Film der 1 zeigt;
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3 ein
Hoch-Niveau-Diagramm ist, welches einen Verbindungsschritt für das PV-Modul
der 1 illustriert;
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4 ein
Hoch-Niveau-Diagramm ist, welches einen Profilierungsschritt, um
das PV-Modul zu formen, so dass es das gewünschte zweidimensionale Profil
aufweist;
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5 eine
Draufsicht auf ein profiliertes PV-Modul in einer Ausführungsform
ist;
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6A und 6B sind
Seitenansichten von einem profilierten PV-Modul in anderen möglichen
Ausführungsformen;
und
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7 eine
Explosionsdarstellung von Schichten in einem PV-Modul vor dem Verbindungsschritt
in Übereinstimmung
mit einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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Detaillierte Beschreibung
einer bevorzugten Ausführungsform
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In Übereinstimmung
mit einer bevorzugten Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung zeigt 1 eine Explosionsdarstellung
mit verschiedenen Filmen (d.h. Schichten) in einem PV-Modul 100 bevor das
Modul einen Verbindungsschritt unterzogen wird. Während die
vorliegende Erfindung auch zu anderen Typen von elektrische Energie
erzeugenden Filmen und Modulen angewendet werden kann, ist es besonders
geeignet für
das PV-Feld und als ein Ergebnis wird auf PV-Anwendungen hier Bezug
genommen. Dies ist in keiner Weise beabsichtigt, um den Schutzbereich
der vorliegenden Erfindung zu anderen geeigneten Typen von elektrische
Energie erzeugenden Filmen und Modulen, so wie zum Beispiel einem hybriden
thermophotovoltaischen Film (TPV), zu begrenzen.
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Wie
in 1 gezeigt wird das PV-Modul 100 von einem
dünnen
flexiblen PV-Film 110, einer Schicht von einem oberen Einkapselungsmodul 150, und
einer Schicht von einem unteren Einkapselungsmodul 170 geformt.
Obwohl flach gezeigt (d.h. ein eindimensionales Profil, wenn es
von der Seite angesehen wird), wird angemerkt, dass der flexible PV-Film 110 fähig ist,
verschiedene 2-D Profile in der Ebene der Schicht anzupassen. (In
einigen Fällen
in Abhängigkeit
vom Material und den verwendeten Verfahren können sogar dreidimensionale
Profile angepasst werden, obwohl Variationen in der dritten Dimension
im Allgemeinen weniger ausgedrückt
werden als in den anderen zwei Dimensionen) Mit Bezug auf 1 enthält der PV-Film 110 ein
flexibles Substrat 120, auf welches eine PV-Halbleiterzellenstruktur 130 gebaut
wird. Substrate 120 umfasst vorzugsweise eine Kunststofffolie
so wie eine Polyimid-, PET-(Polyethylenterephthalat),
oder PEN-(Polyethlennaphthalat) Schicht. Andere flexible Substrate können ebenfalls
verwendet werden, wie Aluminium, Isolator-Metall-Komposite oder faserverstärkte Kunststoffe.
Des Weiteren, in dem illustrierten Ausführungsbeispiel und wie es detaillierter
weiter unten beschrieben wird, ist jede PV-Zelle als Streifen geformt,
und eine Vielzahl von dünnen
Leitern 140 und zwei dickere Spannungssammlungsbusgitter 145 laufen
auf der oberen Oberfläche
der PV-Zellstruktur 130. Mindestens ein anisotope Steifigkeit
von dem Film 110 wird durch diese Streifen 130,
durch die Leiter 140 und durch die Gitter 145 gegeben.
Eine wichtigere Steifigkeit in der senkrechten Richtung wird durch
die Biegeschritte, die weiter unter beschrieben werden, gegeben.
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Das
obere Einkapselungsmaterial 150 ist transparent für Licht 160,
so dass mindestens ein Prozentsatz von der gewünschten Wellenlänge des Lichtes
den PV-Film 110 erreicht. Vorzugsweise überträgt das obere Einkapselungsmaterial 150 einen
hohen Prozentsatz von einfallendem Licht, zum Beispiel mindestens
90%. Oberes Einkapselungsmaterial 150 ist auch vorzugsweise
UV-resistent (oder UV-stabilisiert), so dass sich seine Transparenz, strukturelle
Verlässlichkeit
und Widerstandsfähigkeit gegenüber Korrosion
nicht wesentlich verschlechtern, wenn es für eine verlängerte Zeit der UV-Strahlung
ausgesetzt ist. Zusätzlich
kann die UV-Strahlung die PV-Eigenschaften des Films in einigen
Fällen
verschlechtern, in welchem Fall es wichtig für das obere Einkapselungsmaterial 150 ist,
einen wesentlichen Betrag von solcher Strahlung vor dem Erreichen
des Films zu blockieren. Wenn das obere Einkapselungsmaterial 150 nicht
natürlich
UV-resistent ist,
kann es diese UV-Widerstandfähigkeit
durch die Zusätze oder
Schutzschichten gegeben werden, die entweder zusammen extrudiert
oder auf der äusseren
Oberfläche
des Materials 150 laminiert sind. Solche Zusätze oder
Schutzmaterialien können
UV-absorbierende Materialien oder UV-stabile Polymere wie fluorierte Polymere
enthalten. Das untere Einkapselungsmaterial 170 kann durchsichtig
sein und benötigt
keine UV-Resistenz oder UV-Stabilität; in einigen Ausführungsformen
kann es angebracht sein, einfach das gleiche Material für das obere
und untere Einkapselungsmaterial zu verwenden.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung umfassen sowohl das obere als auch
das untere Einkapselungsmaterial vorzugsweise ein thermisch formbares
Material, so wie ein thermoplastisches Polymer, welches durch die
Anwendung von Wärme
erweicht werden kann und das dann beim Kühlen wieder erhärtet. Materialien 150 und 170 können zum
Beispiel PE (Polyethylen), PET (Polyethylenterephthalat), PEN (Polyethlyennaphthalat),
PC (Polycarbonat), PMMA (Polymethacrylat), EVA (Ethlylenvinylacetat),
TPU (thermoplastisches Polyurethan), ETFE (Etylentetrafluorethylen)
oder verschiedene Kombinationen von solchen Materialien umfassen.
Vorzugsweise ist die Erweichungstemperatur für die Einkapselungsmaterialien 150 und 170 ungefähr zwischen
70 und 250°C.
In einem anderen Ausführungsbeispiel,
wie es weiter unten beschrieben wird, anstelle dass die Materialien 150 und 170 thermisch verformbar
sind (oder zusätzlich
zu diesen Materialien), kann jedes dieser Materialien ein Spritzgussmaterial
umfassen.
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Aus
Gründen
der Klarheit wird bemerkt, dass in 1 nichtmaßstäblich gezeichnet
wurde. Die PV-Zellstruktur 130 kann jedoch eine Dicke zwischen 0,1
und 20 μm
haben, während
das Trägermaterial 120 eine
Dicke von zwischen 10 und 300 μm
haben kann. Für
solche PV-Filme 110 kann die Dicke der Platten der Materialien 150 und 170 entsprechend eine
Bandbreite von ungefähr
0,1 bis 5 mm haben. Es sollte also bemerkt werden, dass die Dicke
der Materialplatten 150 dieselbe wie die des Materials 170 sein
kann, aber sie können
sich auch unterscheiden. Wichtig, wie dies weiter unten detaillierter
diskutiert wird, sind die verwendeten Materialien 150 und 170 in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung so, dass die hergestellten PV-Module
eine steife und widerstandsfähige
Struktur unter normalen Bedingungen haben (d.h. natürlich erscheinende Temperaturen
und Drücken),
im Unterschied zu Einkapselungsmaterialien, welche konventionell
verwendet werden, um flexible PV-Filmprodukte
herzustellen.
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Ein
dünner
flexibler PV-Film kann verschiedene Materialien verwenden und kann
verschiedene Strukturen aufweisen, wie dies dem Fachmann sehr gut
bekannt ist. Im Allgemeinen verwendet ein PV-Film einen Halbleiter,
um Photonen oberhalb seiner Energiebandlücke zu absorbieren, was zur
Generierung von Ladungsträgern
(Elektroden und Löchern)
führt.
Diese Ladungsträger
werden dann durch ein internes elektrisches Feld getrennt, das entweder
durch eine p-n- oder
p-i-n-Verbindung in dem Halbleiter oder durch eine heterogene Verbindung
zwischen dem Halbleiter und einem anderen Material erzeugt wird.
Die Ladungsträger
werden dann durch Elektroden gesammelt und verwendet, um einen Strom
in einem äusseren
Kreislauf zu generieren.
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Die
PV-Module der vorliegenden Erfindung können im Allgemeinen irgendeine
Art von dünnem Film
verwenden. In einem illustrativen Ausführungsbeispiel zeigt 2 eine
teilweise Schnittansicht des Films 110 entlang der Linie
II-II in der 1. Wie gezeigt, verwendet die
PV-Zellstruktur 130 in der 2 amorphes
Silizium (a-Si), das aufgetragen wird, um ein p-i-n-PV-Element 133 zu
schaffen, das p-Typ (p), intrinsisch (i) und n-Typ (n) Schichten,
die zwischen einer unteren Elektrode 132 und einer transparenten oberen
Elektrode 138 angeordnet sind, umfasst. Die Fabrikation
von solchen PV-Zellstrukturen ist sehr gut bekannt, und deshalb
wird sie hier nur kurz beschrieben. Vor der Ablagerung von den amorphen
Siliziumschichten, wird die untere Elektrodenschicht 132 aus
Aluminium (Al) durch Sputtern oder andere Techniken geschaffen.
Diese Schicht wird dann gemustert (z.B. durch den Gebrauch eines
Laserätzverfahrens),
um die untere Elektrode von jeder Zelle zu trennen. Die n-Typ a-Si-Schicht 134 wird
dann über die
Elektrodenschicht durch PECVD aus einer Mischung von Silan und Wasserstoff
zusammen mit anderen Dotanden wie Phosphin abgelagert. Allgemein wird
während
der Ablagerung von der intrinsischen a-Si-Schicht kein Dotand verwendet,
während
Methan oder Diboran (oder Trimethylbor) zu dem Silan und dem Wasserstoff
zugegeben werden, um die notwendige Dotanden für die nachfolgende p-Typ a-Si-Schicht 136 bereitzustellen.
Als Nächstes
wird eine obere Elektrodenschicht aus transparentem leitenden Oxide
(TCO) abgelagert und dann gemustert, um leere Gebiete 139 zu
schaffen, um die oberen Elektroden von benachbarten Zellen elektrisch
zu isolieren. Das Material von den oberen Elektroden 138 sollte
eine hohe Übertragung
von Photonen erlauben und geeignetes Material wie Indium-Zinn-Oxid
(ITO), Zinn-Oxid (SnO2) und Zink-Oxid (ZnO)
enthalten. Auf der anderen Seite können die unteren Elektroden 138 irgendein
leitendes Material, welches durchsichtig (z.B. Aluminium oder Silber) sein
kann, oder TCO, wie oben beschrieben, enthalten.
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Die
oben beschriebenen Schritte können ausgeführt werden
durch ein Roll-zu-Roll-Apparat und -Verfahren mit einer einzigen
Kammer, gemäß der
amerikanischen Patentanmeldung
Veröffentlichungsnr.
2003/0172873A1 , Fischer et al., wobei der gesamte Inhalt
durch Bezugnahme hier miteinbezogen ist hier. Zusätzlich,
um eine Serienverbindung zwischen den parallelen individuellen in
Streifen geformten PV-Zellen zu schaffen, wird eine mechanische
(oder Laser) Ritzung verwendet, um ein stromtragendes Gittermuster
durch die Schichten
138,
136,
135,
134 und
(teilweise)
132 zu ätzen.
Die geätzten
Bereiche werden dann mit einer leitenden Paste (z.B. eine Silberpaste)
gefüllt,
um dünne
Leiter
140 zu schaffen. Auf diese Weise wird eine elektrische
Serienschaltung zwischen der oberen Elektrode
138 und der
unteren Elektrode
132 der benachbarten Zelle bereitgestellt.
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Es
wird auch angemerkt, dass neben einer einfachen Verbindung (p-i-n)-a-Si-PV-Zellenstruktur, Solarzellstrukturen
mit höherem
Wirkungsgrad entstehen können,
in dem gestapelte Tandem-(p-i-n/p-i-n) oder dreifache (p-i-n/p-i-n/pi-n)
Verbindungen verwendet werden, oder in dem Zellen die eine dickere
i-Typ Schicht von monokristallinem Silizium verwenden, welche auch
durch PECVD Verfahren abgelagert werden kann. Weiter, wie bereits
weiter oben angemerkt, können
flexible dünne
PV-Filme auch auf der Basis von anderen Halbleitermaterialien wie
polykristallines Silizium, monokristallines Silizium, Dünnfilmsilizium,
Dünnefilmtandemzellen,
Kupfer-Indium-Gallium-Diselenide (CIGS), CIS Element, Cadmiumtelluride
(CdTe), nano-kristalline farbstoffsensitive Materialien oder leitende
Polymere bestehen. Es wird angemerkt, dass die Halbleiterstruktur im
Allgemeinen in Abhängigkeit
von dem verwendeten Material verschieden sein wird.
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Bezug
nehmend auf 3 ist ein Laminierungsschritt
für das
Verbinden eines dünnen
flexiblen PV-Films 110 mit den Platten des oberen Einkapselungsmaterials 150 und 170 dargestellt.
Platte 150, Film 110 und Platte 170 werden
in einem Laminator 200 oder in eine andere geeignete Vorrichtung
geführt,
die fähig
ist, diese drei Platten unter einer hohen Temperatur zusammenzuführen. In
dem illustrierten Beispiel ist der Laminator 200 ein heisses Rollverfahren
mit zwei rollenden Trommeln 210 und 220, die einen
Druck bei einer Temperatur zwischen ungefähr 70 und 250°C anwenden,
um die Platten zusammen zu verbinden und einen gebundener PV-Modulstapel 100' bereitzustellen.
In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist der Druck, der durch Laminator 200 ausgeübt wird,
zwischen 0,3 bar bis 10 bar (1 bar = 100 kPa) und in einem besonderen Beispiel
wird ein Druck von 1 bar verwendet. Das Verbindungsverfahren kann
die Selbsthafteigenschaften von den Einkapselungsmaterialien 150 und 170 nutzen
oder zusätzliche
Schichten von Klebematerial (nicht dargestellt) wie Kleber, Silizium
oder Etylenvinylacetat kann zwischen dem PV-Film und jeder Einkapselungsplatte
eingefügt
werden. Obwohl der Laminator 200 die Kombination sowohl
von Druck als auch Temperatur anwendet, kann in einigen Ausführungsbeispielen
nur/im Wesentlichen Druck oder nur/im Wesentlichen eine hohe Temperatur
verwendet werden, um das Verbinden zu bewerkstelligen, obwohl die
Effektivität
von solchen Techniken im allgemeinen von der Art der verwendeten
Einkapselungsmaterialien 150 und 170 abhängt. Es
wird nichtsdestotrotz bemerkt, dass was auch immer für eine Kombination
von Temperatur und Druck angewendet werden, die auferlegten Bedingungen
keine Bedingungen sein werden, die natürlich erscheinen, d.h. eine
Kombination von Temperatur und/oder Druck, denen das Modul 100 andernfalls
ausgesetzt sein würde.
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Der
Verbindungsschritt kann in einer Vielzahl von verschiedenen Weisen
geschehen. In einer Ausführungsform
geschieht der Verbindungsschritt als ein ganzer Stapelprozess durch
eine ebene Pressung, die die individuellen ebenen Abschnitte des Films 110,
obere Einkapelsung 150 und untere Einkapselung 170 zusammen
verbindet, um den verbundenen Stapel 100' für ein einziges PV-Modul zu
formen (vorzugsweise so, dass eine Überlappung von Einkapselungsmaterialien
den PV-Film an allen Seiten überlappen).
Diese Technik kann bevorzugt werden, wenn auch eine Klebeschicht
(so wie eine EVA-Schicht) verwendet wird, um den verbundenen Stapel 100' zu schaffen.
Alternativ kann ein Rollstapelverfahren verwendet werden, in welchem
die Platten des Films 110, der oberen Einkapselung 150 und der
unteren Einkapselung 170 von drei individuellen Rollen
in eine Rollepresse eingeführt
werden (als Laminator 200 in 3). Als
eine andere Alternative können
kontinuierliche Filme, die zu einer Vielzahl von PV-Modulen des Films 110,
der oberen Einkapselung 150 und der unteren Einkapselung 170 in
eine Rollpresse von drei unterschiedlichen Rollen geführt werden
und auf die gewünschte
Länge nach
Lamination oder nach dem Formen geschnitten werden.
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Es
ist bevorzugt, dass die Einkapselungsmaterialien an jeder Seite
des PV-Films überlappen,
um eine Seitendichtung bereitzustellen. Für kontinuierliche Filme in
der dritten Technik, wenn das kontinuierliche laminierte Material
geschnitten wird, wird der PV-Film an den Schneidenden freilegt
und deshalb wird es Einschleppungen und/oder Degradation ausgesetzt.
In diesem Fall kann ein zusätzlicher
Schritt durch Wiedererhitzen des abgebrochenen verbundenen Stapels
und Schweissen des existenten thermoplastischen Materials in dem
Stapel um die ausgesetzten Kante herum ausgeführt werden, um die geschnittenen
Enden abzudichten. Wenn es notwendig erscheint oder gewünscht ist,
kann zusätzliches
thermoplastisches Material zu dem verbundenen Stapel hinzugefügt werden,
wenn die Dichtung des geschnittenen/freigelegten Endes gedichtet
wird.
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In
einigen Ausführungsbeispielen
kann es auch erwünscht
sein, den Verbindungsschritt in einem Vakuum auszuführen, um
zu vermeiden, dass Luft in den abgedichteten verbundenen Stapel 100' eingeschlossen
wird. Weiter, während
die obere Oberfläche
von dem verbundenen PV-Modulstapel 100' einfach flach sein kann, kann
die Oberfläche auch
in einer Weise strukturiert sein, so dass Reflektionseigenschaften
verändert
werden, Blendungen vermieden werden, Lichtfallen verbessert werden und/oder
das ästhetische
Aussehen des Moduls verbessert wird. Diese Strukturierung kann durch
den Gebrauch eine geeignete Oberflächenstruktur während des
Laminationsdrucks/-rollens, das verwendet wird, um die Schichten
miteinander zu verbinden, angewendet werden.
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In Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung, nachdem die verschiedenen Platten
des PV-Moduls zusammengefügt
wurden, wird der verbundenen Stapel 100' weiter durch die Anwendung eines
Drucks (vorzugsweise mit einer hohen Temperatur) geformt, um ein
PV-Modul 100 mit einem gewünschten zweidimensionalen Profil
(d.h. ein zweidimensionaler Umriss von der Seite gesehen) bereitzustellen.
In dem illustrierten Ausführungsbeispiel
der 4 enthält
eine Profilierungsvorrichtung 300 komplementäre Gussabschnitte 310 und 320,
die mit einer hohen Temperatur arbeiten, um das Modul 100 mechanisch
in eine gewünschte
Profilform zu zwingen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel variiert der
Druck zwischen 0,01 und 1 bar und in einem besonderen Ausführungsbeispiel
ist der angewandte Druck 0,05 bar. Die Temperatur in der Vorrichtung 300 korrespondiert
mit der Erweichungstemperatur von den thermisch formbaren Einkapselungsmaterialien 150 und 170,
welche – wie
oben bemerkt – zwischen
70 und 250°C
liegen kann. In einem alternativen Ausführungsbeispiel kann der Profilierungsschritt
durch das Fixieren des verbundenen Stapels 100' in dem Rahmen
einer Gussvorrichtung, durch Erhitzen des Stapels und dann durch
Anwendung eines Vakuums durch Löcher
in zwei komplementären Gussabschnitten
ausgeführt
werden, so dass der Luftdruck die Gussabschnitte gegen den verbundenen
Stapel 100' zusammendrückt, so
dass der letztere die Form von diesen Gussabschnitten annimmt.
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Wie
in dem Verbindungsschritt kann der Profilierungsschritt als Stapelprozess
(wie illustriert) ausgeführt
werden oder ein kontinuierlicher Rollprozess kann verwendet werden.
Weiter kann der Profilierungsschritt direkt nach dem Verbindungsschritt
ausgeführt
werden, möglicherweise
mit derselben Vorrichtung (d.h. Laminator 200 und Profilierungsvorrichtung 300 können kombiniert
werden), weil der verbundene PV-Modulstapel 100' allgemein keine Kühlung vor
der Durchführung
des Profilierungsschritts benötigt.
Als eine weitere Alternative können beide
Schritte Verbindung und Profilierung gleichzeitig in einem einzelnen
Schritt erscheinen. Die oben erwähnten
Anwendungen werden bevorzugt, wenn die Einkapselungsmaterialien 150 und 170 ein
thermoplastisches Polymer umfassen, das chemisch degradiert, wenn
es wiederholt gekühlt
und erhitzt wird oder wenn Einkapselungsmaterialien 150 und 170 ein
Thermofixierungsmaterial umfassen, welches nur einmal erhitzt und
ausgehärtet
werden kann.
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Eine
andere Alternative anstelle des Verbindens und des Profilierens,
wie es oben beschrieben wurde, ist es, ein profiliertes PV-Modul 100 durch Spritzgusstechniken
zu realisieren. In diesem Fall wird ein PV-Modul 110 in
eine profilierte Spritzgussform (nicht gezeigt) platziert und ein
Einkapselungsharz (mit der Transparenz und den UV-Widerstandfähigkeiten
wie oben beschrieben) wird injiziert, um das Modul in die gewünschte Profilform
einzubetten. Geeignete Beispiele des Spritzgusseinkapselungen enthalten
PET (Polyethylenterephthalat), PC (Polycarbonat), PP (Polypropylen),
PA (Polyamid), ABS (Acrylnitil-Butadien-Styrol) oder zahlreiche
Kombinationen von solchen Materialien.
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Das
Wiedererhärten
des Einkapselungsmaterials nach dem Formen wird bevorzugt durch
Kühlen
durchgeführt
oder dadurch, dass das Modul zu Umgebungstemperaturen zurückgeführt wird.
In Abhängigkeit
von den verwendeten Materialien kann die jedoch Härtung durch
die Verwendung von chemischen Mitteln oder ultraviolettes Licht
verbessert, initiiert oder beschleunigt werden.
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Wenn
einmal der Profilierungsschritt beendet und das PV-Modul 100 gekühlt wurde,
wird ein steifes, festes, widerstandsfähiges und immer noch relativ
leichtgewichtiges PV-Modul bereitgestellt, obwohl keine feste Platte
oder Träger
(wie aus eine Aluminium- oder Glasbasis) einen Teil des Moduls formen.
Es wird angemerkt, dass ein wichtiger Aspekt der vorliegenden Erfindung
ist, dass der Typ und Quantität
der verwendeten Einkapselungsmaterialien ausreichend sind, um eine
PV-Modul 100 mit solch einer steifen und widerstandfähigem Struktur
bereitzustellen, einmal wenn das Modul abgekühlt und normalen Bedingungen
(d.h. natürlich
erscheinenden Temperaturen und Drücken) ausgesetzt ist. Dies
unterscheidet sich von der Einkapselung von existierenden dünnen flexiblen
PV-Modulen, in denen der Typ und/oder die Qualität der verwendeten Einkapselungen
es erlauben, die flexible Natur unter normalen Bedingungen beizubehalten.
In einem beispielhaften Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, ist die Gesamtdicke des PV-Moduls 100 ungefähr 2 mm, was
eine feste, steife und dennoch leicht gewichtige Struktur bereitstellt.
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Die
Form des profilierten PV-Moduls 100 kann gewellt sein (d.h.
mit alternierenden Bergen und Tälern),
als Stehfalz (d.h. ineinander greifend) oder irgendeine andere gewünschte nicht
ebene (d.h. 2-D Profil) Form, die für eine gegebene Anwendung benötigt wird.
In dem Ausführungsbeispiel
der 4 ist das PV-Modul 100 gewellt mit einem
ungefähren
Sinusprofil. Eine detailliertere Oberansicht des PV-Moduls ist in 5 gezeigt.
Alternative PV-Module werden beispielsweise in 6A und 6B gezeigt. Spezieller
zeigt 6A eine Seitenansicht eines
gewellten PV-Moduls 100A mit einem gewellten trapezoiden
Profils, während 6B eine
Seitenansicht eines PV-gewellten Moduls 100B mit einem
Profil zeigt, um einen Stehfalzeffekt bereitzustellen, so dass sich
benachbarte PV-Module miteinander verbinden können. Wie in dem speziellen
Ausführungsbeispiel
der 6B gezeigt, ist in diesem Falls das Profil eines
PV-Films 110 in dem Modul 100B nichtsdestotrotz
flach (d.h. Film 110 hat ein 1-D Profil), obwohl das PV-Modul 100B ein
2-D Profil aufweist.
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Typischerweise
werden die oberen und unteren Oberflächen des PV-Moduls, die andernfalls gleichförmig sind,
in einem Querschnitt des Moduls in einer Ebene parallel zu dem 2-D
Profil dasselbe 2-D Profil teilen. Dies ist jedoch nicht notwendig
und kann nicht der Fall sein, wenn Abschnitte in dem PV-Modul enthalten
sind, die als Fixpunkte, als Grenzabschnitte oder Abschnitte, um
elektrische Kontakte herzustellen, agieren.
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Weiter
kann ein dreidimensionales Flächengebilde
in der oberen Einkapselungsschicht geschaffen werden, zum Beispiel
durch den Gebrauch von Formabschnitten 310 und möglicherweise 320 mit
einer Gewebeoberfläche.
Das Flächengebilde
kann mikrooptische Elemente, zum Beispiel Mikrolinsen definieren,
um die Konvergenz von Licht auf den photovoltaisch aktiven Teilen
des Films 110 zu verbessern und Licht von den nicht aktiven
Teilen des Films (wie den Verbindungsgebieten 139 und 140 und
Gebieten, die mit zusätzlichen
Stromkollektorfingergitter bedeckt sind) abzulenken. Zusätzlich oder
alternativ kann das Flächengebilde
die optische Erscheinung des Moduls verbessern und/oder eine ungewollte Blendung
der Oberfläche
des Moduls reduzieren.
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Es
sei angemerkt, wenn die PV-Zellen in dem PV-Modul 100 in
Serie geschaltet werden, der Strom in dem PV-Modul zu dem geringsten
Strom in irgendeiner PV-Zelle begrenzt ist. Als ein Ergebnis, wie
es in 5 gezeigt ist, sind die longitudinale Achse x1
des in Streifen geformten Zellen und die dünnen Leiter 140, die
monolithisch die elektrische Serienverbindung zwischen benachbarten
Zellen bereitstellen, parallel zu einer Ebene x;z orientiert, die
das 2-D Profil des Moduls (d.h. der Ebene der Zeichnung) definiert.
Dies sichert, dass sich keine PV-Zelle
ganz (oder mehrheitlich) entlang einer Nut oder eines Tals in dem
2-D Profil befindet, in dem die Zelle nur einer minimalen Sonneneinstrahlung
ausgesetzt sein könnte,
welches den Strom, der durch das PV-Modul als Ganzes geleitet wird,
wesentlich reduzieren würde.
Anstelle dessen erscheinen mit der Zelleorientierung der 5 keine
Abschattungsverluste (andere als reine geometrische Verluste), weil
jede Zelle allgemein derselben Sonneeinstrahlung ausgesetzt sein
wird, und deshalb denselben Strom generieren. Serienverbindungen
von den Streifen werden deshalb möglich, ohne den resultierenden
Strom über den
Zellen zu reduzieren.
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Ähnlich,
obwohl die Zellorientierung nicht in 6A und 6B gezeigt
ist, in denen die Zellen und die Serieverbindungen der Module 100A und 1006 in
Streifen geformt sind, sind diese wieder vorzugsweise parallel zu
einer Ebene orientiert, die das 2-D Profil des Moduls definiert.
Wenn die PV-Zellen in dem Modul 100 elektrisch in einer
verschiedenen Weise verbunden sind, kann selbstverständlich eine andere
Zellorientierung bevorzugt sein.
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Wie
in der
5 gezeigt kann das PV-Modul
100 zwei
Kontaktöffnungen
146 haben,
die durch das Einkapselungsmaterial geformt sind, um elektrische Drähte
148 zu
jedem Spannungskollektorbusgitter
145 in dem PV Film
110 zu
verbinden. Zur Zwecke der Illustration werden Öffnungen
146 gezeigt,
die durch die obere Oberfläche
des PV-Moduls
100 in
5 geschaffen
wurden. Typischerweise werden jedoch die Kontaktteile durch eine Öffnung,
die in dem Einkapselungsmaterial von der unteren Oberfläche des
Moduls geformt sind, geformt. Kontaktöffnungen
146 werden
vorzugsweise geformt, nachdem Biege- und Profilierungsschritt komplett
sind, in der Weise wie in der
Amerikanischen
Patentanmeldung 10/688,596 für „Photovoltaic Products and
Process of Fabrication thereof jetzt
US-A1-2004/0112425 beschrieben.
Wenn einmal die notwendigen Verbindungen geschaffen wurden, können die Öffnungen
146 aus
Schutzgründen
abgedichtet werden. Es sei angemerkt, dass das Modul durch die Verbindungsdrähte
148 des
PV-Moduls
100 mit anderen PV-Modulen als Teil eines PV
Gitters und/oder an externe elektrische Schaltungen verbunden werden
kann. Alternativ, anstatt von Befestigungsdrähten
148 können die Öffnungen
146 einfache
elektrische Verbindungen des PV-Moduls
100 direkt mit einer
darunter liegenden PV-Verbindungsbox ermöglichen.
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Wie
bereits bemerkt wurde, sind die PV-Module steif, fest und widerstandsfähig, nachdem
sie geformt wurden. Als Ergebnis sind die Module besser fähig, den
schädlichen
Wetter- und anderen Umwelteinflüssen
im Vergleich mit den meisten konventionellen flexiblen PV-Filmprodukten
zu widerstehen. Gleichzeitig kann das PV-Modul der vorliegenden
Erfindung durch das Formen einer gewünschten 2-D-Profilform ganz
in eine gewünschte
Anwendung integriert werden, da sie eine bessere strukturelle Passform
haben. Aus diesen Gründen
sind die PV-Module der vorliegenden Erfindung gut angepasst, um
auf existierenden architektonischen Oberflächen (wie gewellten oder profilierten
Dach oder Fassadenelementen), die nicht flach sind, montiert zu
werden. Zusätzlich
kann in einigen Fällen
die PV-Module der vorliegenden Erfindung existierende architektonische
Elemente austauschen (so wie Dachziegel oder Fassadenelemente),
so dass die PV-Module beides bereitstellen, PV-Funktion und die gewünschte architektonische
Funktion. Allgemein sind die Module der vorliegenden Erfindung für den Gebrauch
in irgendeinem Ort, der eine nicht glatte Oberfläche aufweist, sehr geeignet.
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Die
Profile eines PV-Moduls 100 können zu der Grösse und
der Form von existierenden Materialien, die bereits verwendet werden
und in der die Konstruktions- und Dachindustrie standarisiert sind, zum
Beispiel 76 mm oder 18 mm gewellte Dachziegel, korrespondieren.
Zusätzlich
kann jedes PV-Modul auf ein oder mehrere standardisierte architektonische
Einheiten montiert werden (oder kann diese ersetzen). Zum Beispiel
kann ein einzelnes PV-Modul 100 mit einer 1 × 2 Meter
Oberfläche
produziert werden und könnte
verwendet werden, um verschiedene Dachziegel abzudecken (oder zu
ersetzen). Mit existierenden PV Herstellungsverfahren würde ein
solches Modul fähig
sein, eine Spitzenleistung von 50–300 Watt bei ungefähr 12 bis
300 Volt zu produzieren. Optional könnte die Grösse des Moduls vergrössert werden,
z.B. zu 2 × 10
Meter, um einen ganzen Dachabschnitt oder die ganze Länge einer
Fassade abzudecken. Alternativ kann der Oberflächenbereich eines PV-Moduls
reduziert werden, um zu der Grösse
eines einzelnen, individuellen Dachziegels, z.B. 30 × 50 cm
zu korrespondieren.
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Montieren
eines PV-Moduls 100 – entweder zu
einem oder als ein architektonisches Element – kann in irgendeiner konventionellen
Weise geschehen. Zum Beispiel kann ein Modul 100 an ein
anderes Element oder eine Oberfläche
durch Clips, durch Schrauben in Befestigungslöchern, die in das Profil gebohrt
werden, oder irgendeine andere Befestigungstechnik befestigt werden.
In einigen Fällen kann
es gewünscht
sein, einen Luftspalt zwischen einen profilierten PV-Modul bereitzustellen,
um zu helfen, den PV-Film zu kühlen
und seinen Wirkungsgrad zu verbessern. Mehrere PV-Module 100 können auch
zusammen geschweisst oder geklebt werden, um einen grösseren abgedichteten
Abschnitt für
ein Dach oder eine Fassade zu formen. Ein PV-Modul 100 kann
weiter mit einer thermischen Isolationsschicht (z.B. Polyurethan-Schaum)
neben dem Modul kombiniert werden. Solch eine Isolationsschicht wird
vorzugsweise entlang der ganzen unteren Oberfläche des profilierten PV-Moduls,
zum Beispiel durch die Anwendung des Schaums an die Oberfläche durch
Extrusion, angewandt. Solche eine Isolationsschicht kann zusätzlich die
mechanischen und strukturellen Eigenschaften des profilierten PV-Moduls verbessern
und stabilisieren. Insbesondere ist ein auf der Rückseite
profiliertes Modul besonders vorteilhaft in Verbindung mit der Verwendung
eines amorphen Siliziums als PV-Material, weil der Temperaturkoeffizient
des Leistungsausgangs durch ein solches Modul relativ klein ist.
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Während die
Erfindung in Verbindung mit speziellen Ausführungsformen beschrieben wurde, ist
es offensichtlich, dass dem Fachmann zahlreiche Alternativen, Änderungen,
und Variationen im Lichte der vorhergehenden Beschreibung ersichtlich
sind. In einer möglichen
Variation illustriert 7 zum Beispiel die verwendeten
Schichten (vor dem Verbinden und Profilieren) in einem PV-Modul 400.
Wie gezeigt, enthält
das Modul 400 einen PV-Film 410, der eine PV-Zellenstruktur 430 enthält, die
auf einen relativ dickem Trägermaterial 450 hergestellt
wurde, umfassend zum Beispiel PET (Polyethylenterephthalat), und
eine Platte von unterem Einkapselungsmaterial 470. In diesem
Ausführungsbeispiel
agiert das Trägermaterial 450 sowohl
als Isolationsbasis, auf welcher die PV-Zellenstruktur 430 hergestellt
wurde, als auch als obere Einkapselungsschicht in dem nachfolgenden
Verbindungsschritt. Auf diese Weise sollte das Trägermaterial 450 die
Durchlässigkeit
und UV-Resistenzeigenschaften, die vorher für die obere Einkapselungsschicht 150 beschrieben
wurden, besitzen. Es sei angemerkt, dass das Trägermaterial 450 eine
relativ grosse Dicke haben kann, so dass der resultierende PV-Film 410 unter
normalen (d.h. natürlich
erscheinenden) Temperaturen nicht flexibel ist. Alternativ kann
die Dicke des Trägermaterials 450 relativ
dünn sein,
aber die Dicke der Platte des unteren Einkapselungsmaterials 470 kann
entsprechend vergrössert
werden, wobei in diesem Fall der PV-Film 410 immer noch
flexible sein kann. Weiter wird betont, dass in diesem Ausführungsbeispiel
die Grundelektrode, die zuerst auf dem Trägermaterial 450 abgelagert
wird, ein TCO umfassen sollte und, wenn eine p-i-n-Konfiguration
für die
PV-Zellenstruktur 430 verwendet wird, p-Typ, i-Typ und
n-Typ Schichten werden dann nacheinander über der TCO-Elektrodenschicht
abgelagert. Schlussendlich, obwohl in 7 das Trägermaterial 450 mit
einer grösseren Oberfläche als
die PV-Zellenstruktur 430 gezeigt wird,
könnte
es nicht praktisch sein, den PV-Film 410 auf diese Weise
herzustellen. Wenn dem so ist, kann eine grösseres unteres Einkapselungsplatte 430 verwendet
werden und/oder zusätzliches
Einkapselungsmaterial kann hinzugefügt werden, nachdem der PV-Film 410 und
die Platte des unteren Einkapselungsmaterials 470 anfänglich zusammen
verbunden wurden, um Sicherzustellen, dass die Kanten von der PV-Zellstruktur 410 ausreichend
geschützt sind
und durch das Einkapselungsmaterial 470 nach dem Verbinden
abgedeckt sind. Der resultierende Verbundsstapel kann dann auf die
oben beschriebene Weise profiliert werden.
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Verschiedene
Module können
nach dem Formen, aber vorzugsweise vor dem der Montage auf dem Dach
zusammengebaut werden, um die Weite und/oder die Länge oder
das resultierende photovoltaische Element auszudehnen. Elektrische
Verbindungen zwischen benachbarten Modulen werden vorzugsweise ohne
irgendeinen Draht ausgeführt, durch Überlappen
oder Kontaktherstellung der Busgitter 145, um die gewünschte oder
parallele Verbindungen bereitzustellen. Zusammenbau von den verschiedenen
Modulen wird jedoch derart bewerkstelligt, um identische oder gleiche
Sonneneinstrahlung auf gegenseitig in Serie verbundenen Zellen zu
garantieren, wenn diese zusammengebauten photovoltaischen Elemente
montiert sind.
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Insbesondere
kann in einem Ausführungsbeispiel,
in dem beabsichtigt wird, das Modul an oder als gewelltes oder profiliertes
Dachelement zu verwenden, sich die Ebene x;z, die das zweidimensionale
Profil des Moduls definiert, in einer nach oben gerichteten Richtung
im Wesentlichen parallel zu dem Grat oder der Kante des Daches ausdehnen.
In diesem Fall dehnt sich der Streifen 130 vorzugsweise entlang
einer horizontalen Richtung parallel zu diesem Grat oder der Kante
aus.
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Wenn
auf der anderen Seite, die Ebene x; z, die das zweidimensionale
Profil definiert, sich in einer nach oben gerichteten Richtung ausdehnt,
senkrecht zu dem Grat oder der Kante des Daches ist, dehnt sich
der Streifen 130 vorzugsweise in einer nach oben gerichteten
Richtung aus, senkrecht zu besagtem Grat oder besagter Kante.
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Das
Modul kann auch als ein profiliertes oder gewelltes, im Wesentlichen
vertikales Fassadenelement verwendet werden. In diesem Fall, wenn
die Ebene (x; z), die das zweidimensionale Profil definiert, wenn
das Modul montiert ist, horizontal ist, werden sich die Streifen
vorzugsweise horizontal ausdehnen. Wenn auf der anderen Seite die
Ebene vertikal ist, werden sich die Streifen vorzugsweise in eine
nach oben gerichtete Richtung ausdehnen.