DE69637477T2

DE69637477T2 - Herstellungsverfahren eines Solarmoduls

Info

Publication number: DE69637477T2
Application number: DE69637477T
Authority: DE
Inventors: Ingrid Vaverka; Karin Broering; Udo Gelderie; Guenter Mattes; Bernhard Reul
Original assignee: Saint Gobain Glass France SAS; Compagnie de Saint Gobain SA
Current assignee: Saint Gobain Glass France SAS; Compagnie de Saint Gobain SA
Priority date: 1995-04-22
Filing date: 1996-04-18
Publication date: 2009-04-09
Anticipated expiration: 2016-04-19
Also published as: CZ291553B6; KR960039448A; PT739042E; US5667595A; EP0739042B1; ES2304785T3; DE19514908C1; TR199600333A3; MX9601498A; CZ116196A3; JP3803419B2; JPH0918047A; PL181139B1; KR100493998B1; TR199600333A2; IN190081B; DE69637477D1; EP0739042A1

Description

Die Erfindung betrifft die Herstellung eines Solarmoduls, das eine Frontseite aus Glas, eine tragende Rückseite sowie zwischen diesen Scheiben angeordnete Solarzellen umfasst, wobei der Hohlraum zwischen diesen Scheiben mit einem aushärtbaren Gießharz ausgefüllt ist.
Solarmodule dieses Typs sind in verschiedenen Formen bekannt und können auch im Bauwesen und im Automobilbau verwendet werden, um elektrischen Strom aus Sonnenenergie zu erzeugen. Hier sind die Solarzellen zwischen den zwei Scheiben angeordnet und von einer Gießharzschicht umgeben, um sie vor atmosphärischen Einflüssen zu schützen.
Das Gießharz muss eine ganze Reihe von Forderungen erfüllen. So ist es beispielsweise erforderlich, dass es wie die Frontseite aus Glas eine große Lichttransparenz, insbesondere in dem Bereich des Nahen Infrarots, besitzt, um einen hohen Wirkungsgrad der Solarzellen zu erlauben. Außerdem muss sich das Gießharz unempfindlich gegenüber Ultraviolettstrahlung und Feuchtigkeit zeigen. Schließlich muss eine ordnungsgemäße und dauerhafte Haftung an der Vorderseite aus Glas und mit den Solarzellen sichergestellt sein. Darüber hinaus muss das ausgehärtete Harz eine solche Elastizität aufweisen, dass die mechanischen Spannungen, die von unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der einzelnen Materialien hervorgerufen werden, in der Polymerschicht klein sind und somit weder eine Verformung des Moduls noch ein Ablösen der Haftflächen verursachen können.
In dem Patent DE 2 712 172 A1 ist als Mittel, das als Material zur Umkapselung der Solarzellen zu verwenden ist, Polycarbonate, Silicone, Epoxide, Polyester, Acrylharze und polymerisierbare Produkte aus Kettenmolekülen mit hauptsächlich kovalent gebundenen Kohlenwasserstoffen ohne zusätzliches Halogenatom, beispielsweise Polypropylen, Polyisopren oder Polybutadien, offenbart.
In dem Patent DE 2 825 034 A1 ist vorgeschlagen, zur Umhüllung der Solarzellen zwischen den zwei Scheiben ein Harz, das Acrylsäurekomponenten enthält, zu verwenden. Dieser Harztyp kann als Hauptkomponente ein Gemisch aus Methacrylmethacrylat und Polyurethanpräpolymer besitzen.
In dem Dokument DE 3 428 775 A1 ist dafür die Verwendung von EVA, EMA, Acrylharzen, Siliconelastomeren, PVB, Epoxidharzen oder aliphatischen Polyesterurethanen, um die Solarzellen zwischen den zwei Scheiben einzufügen, zur Herstellung von Solarmodulen, welche die weiter oben beschriebene Struktur besitzen, vorgeschlagen.
In dem Dokument EP-A2-0 269 469 ist eine transparente Deckschicht aus nachgiebigem elastischem Polyurethan für transparente Substrate aus Glas oder Kunststoff beschrieben.
In dem Dokument E. F. CUDDIHY et al., "Encapsulation material for terrestrial photovoltaic modules", Extended Abstracts, Band 82-1, Mai 1982, 84–85, Princeton, New Jersey, USA, ist die Verwendung eines Polyetherpolyurethans zur Umkapselung von Solarmodulen beschrieben.
Die Forderungen, welche die Eigenschaften des Gießharzes für die Herstellung von Solarmodulen betreffen, sind umso höher, je größer die Module sind. Während die bekannten Harze vollständig zufriedenstellende Ergebnisse liefern, was die Herstellung von kleinen Solarmodulen betrifft, verursacht die Mehrheit der für diesen Zweck bekannten Harze Probleme, wenn es sich darum handelt, größere Module herzustellen, wie es insbesondere im Bauwesen der Fall ist. So war festzustellen, dass, wenn Acrylate verwendet wurden, wie sie in der Praxis verwendet werden, von der Volumenschwindung des Harzes während seines Aushärtens im Laufe der Zeit beträchtliche Spannungen hervorgerufen wurden, die zwischen dem Harz und den Solarzellen Ablösungserscheinungen verursachten.
Es ist in diesem Fall nur möglich, solche Phänomene zu verhindern, indem sehr nachgiebige, sehr plastische Acrylatharze vergossen werden.
Dann aber besitzt die Harzschicht nur noch eine sehr verringerte mechanische Festigkeit, sodass das Solarmodul nicht die Eigenschaften eines Sicherheitsglases aufweisen kann, die jedoch für den Einbau in Fassaden empfohlen werden.
Andere Materialien wie Silicone sind auch nicht für eine Verwendung in großformatigen Solarmodulen geeignet, ebenfalls aus Gründen unzureichender mechanischer Eigenschaften (insbesondere einer geringen Widerstandsfähigkeit gegenüber Abreißen und einer schlechten Dichtheit). Die Verwendung aliphatischer Polyesterurethane hat sich nicht als zufriedenstellender erwiesen. Wenn es auch zutrifft, dass Harze auf Polyesterurethanbasis dafür bekannt sind, auszuhärten, ohne praktisch die geringste Volumenschwindung zu erleiden, war jedoch festzustellen, dass Polyurethane auf Polyesterpolyolbasis sich fortschreitend durch Hydrolyse auflösen. Deshalb haben Solarmodule, die eine aus Polyesterpolyurethan hergestellte Zwischenschicht enthalten, den Nachteil, dass sie nicht ohne zusätzliche Abdichtung der Ränder verwendet werden können, da es anderenfalls unmöglich wäre, langfristig zu verhindern, dass der Randbereich des Moduls durch Feuchtigkeit beschädigt wird.
Deshalb liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Material zu finden, das unter dem Gesichtspunkt der verschiedenen Aspekte und insbesondere als Gießharz für die Umhüllung der photoelektrischen Zellen von Solarmodulen geeignet ist. Dabei verursacht das Polymermaterial (unter anderem) weder Volumenänderungen während des Aushärtens noch verändert es sich unter dem Einfluss von Feuchtigkeit und besitzt während des Verfahrens zur Herstellung des Solarmoduls ein unter dem Gesichtspunkt der Viskosität geeignetes Verhalten, ein großes Haftvermögen an der Oberfläche der Scheiben und der Solarzellen, eine hohe Widerstandsfähigkeit gegenüber Abreißen und gute Dichtheitseigenschaften sowie spezielle und ausgeprägte Eigenschaften unter dem Gesichtspunkt der Kautschukelastizität. Außerdem weist dieses Material eine große Transparenz für Lichtstrahlung auf, zeigt sich unempfindlich gegenüber Ultraviolettstrahlung und behält diese Eigenschaften über lange Zeit, das heißt widersteht in hohem Maße der Alterung.
Es ist festgestellt worden, dass Solarmodule, die ein Polyetherpolyurethan als Gießharz enthalten, unter jedem Gesichtspunkt die gewünschten Eigenschaften besitzen, im Gegensatz zu anderen bekannten Harzen. So ist insbesondere weder ein Ablösungsphänomen noch eine Gelbfärbung nach Durchführung eines beschleunigten Alterungsversuchs festzustellen, der unter dem Einfluss von Hitze, Kälte, Temperaturschwankungen, Strahlung und Feuchtigkeit durchgeführt worden ist. Die Feuchtigkeit bewirkt auch keine Verdunkelung des Randbereiches. Die Viskosität des Harzes kann in dem Gemisch entsprechend der Dosierung der Isocyanat- und der Polyolkomponente variieren, wobei selbstverständlich die gewünschten Grenzen eingehalten werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren ist in Patentanspruch 1 definiert.
Als Gießharz werden entsprechend einem erfindungsgemäßen Merkmal Reaktionsgemische verwendet, die von einem oder mehreren aliphatischen Isocyanatpräpolymeren und einem oder mehreren Polyetherpolyolen gebildet werden. Bestimmte Reaktionsgemische, für welche die Isocyanatkomponenten aus einem trifunktionellen aliphatischen Polyisocyanat auf der Basis von 1,6-Hexamethylendiisocyanat mit Biuret- oder Isocyanuratstruktur, einem NCO-Gruppen-Gehalt, der von 12,8 bis 28 Gew.-% gehen kann, und einem mittleren Molekulargewicht von 450 bis 1000 g/mol hergestellt worden sind, während die Polyolkomponenten aus einem Polyetherpolyol auf der Basis von Trimethylolpropan und Propylenoxid mit einem OH-Gruppen-Gehalt von 5,1 bis 12,8 Gew.-% und einem mittleren Molekulargewicht von etwa 400 bis 1000 g/mol bestehen, haben insbesondere die Probe bestanden.
Entsprechend einem erfindungsgemäßen Merkmal werden als Additive ein Katalysator für die Beschleunigung der Aushärtungsreaktion, der Dibutylzinndilaurat sein kann, ein die Ultraviolettstrahlung absorbierendes Mittel, insbesondere auf der Ba sis eines Amins mit sterischer Raumerfüllung, sowie ein Silan, um das Haftvermögen der Harzschicht an der Glasscheibe, an der Tragscheibe und an den Solarzellen zu erhöhen, zu dem Reaktionsgemisch zugegeben.
Die Aushärtungsreaktion erfolgt vorzugsweise bei erhöhter Temperatur, die etwa 30 bis 50°C betragen kann. Außerdem hat es sich als vorteilhaft erwiesen, erfindungsgemäß diese Reaktion in einem Autoklaven unter einem leichten Überdruck von etwa 3·10⁴ bis 1·10⁵ Pa (0,3 bis 1 bar) durchzuführen. Durch diesen Überdruck wird während der Polymerisation eine mögliche Blasenbildung im Harz vollständig unterdrückt, die sonst durch das Entwickeln von Kohlendioxid verursacht würde.
Anschließend wird ein interessantes Ausführungsbeispiel entsprechend dem erfindungsgemäßen Verfahren gegeben.
Es wurde ein Solarmodul von 1 m × 1 m gebaut, wobei die tragende Rückseite wie die Frontseite beide aus transparentem Material waren, hier Floatglasscheiben mit einer Dicke von etwa 5 mm. Die Frontseite aus Glas wird vorzugsweise von einem Extraklarglas gebildet, das heißt, das zu einer besonders hohen Transmission für Licht- und Wärmestrahlung in der Lage ist.
Zunächst wurden die Solarzellen auf der tragenden Rückseite angeordnet und befestigt, die ihrerseits in der Horizontalen in der gewünschten Position angeordnet war, anschließend wurden die Zellen untereinander elektrisch verbunden und die elektrischen Anschlüsse nach außen an der gewünschten Stelle am Rand der tragenden Rückseite aus Glas angebracht. Danach wurde ein Klebeband entlang des Randes des Glases, beispielsweise durch Extrudieren, aufgebracht, wobei das Band einerseits dazu dient, die Dichtheit der Ränder des Solarmoduls zu gewährleisten, und andererseits einen Abstand zwischen den zwei Scheiben aufrechtzuerhalten.
In zwei einander diagonal gegenüberliegenden Ecken wurden Metallrohrstücke eingebaut, die es später erlauben, dass der hohle Zwischenraum, der zwischen den zwei Scheiben vorhanden ist, ausgefüllt und seine Luft evakuiert wird. Anschlie ßend wurde die Frontseite eingebaut, danach wurden die zwei Scheiben derart zusammengespannt, dass zwischen ihnen der gewünschte Zwischenraum übrig blieb.
Zur Herstellung der Gießharzmasse, mit welcher der zwischen den Glasscheiben vorhandene Hohlraum gefüllt werden sollte, wurden durch 10 Minuten langes Rühren bei Umgebungstemperatur 500 Gramm eines (im Wesentlichen) trifunktionellen Polyisocyanats, das Biuretgruppen enthielt, auf der Basis von 1,6-Hexamethylendiisocyanat mit einem Gehalt an freien NCO-Gruppen, der 23% des Gewichts ausmachte, und welches ein mittleres Molekulargewicht von 550 g/mol besaß, mit 800 Gramm eines trifunktionellen Polyols auf der Basis von Trimethylolpropan mit einem OH-Gruppen-Gehalt, der 11,8% des Gewichts ausmachte, und welches ein mittleres Molekulargewicht von 430 g/mol besaß, vermischt. Als Additive wurden 0,5 g Dibutylzinndilaurat (als Katalysator), 50 g eines Amins mit sterischer Raumerfüllung (als Lichtschutzmittel) und 5 g eines Aminosilans (als Haftverstärker) verwendet. Das Verhältnis von NCO/OH im Gemisch betrug 0,5. Nach Homogenisierung wies dieses Gemisch eine Viskosität von etwa 1400 mPa·s (1400 cP) bei einer Temperatur von 20°C auf.
Dieses Harzgemisch wurde anschließend in den Hohlraum zwischen den zwei Glasscheiben gegossen, wobei das Solarmodul vorzugsweise in einer fast vertikalen Position angeordnet war. Die Harzmasse wurde durch das untere Röhrchen eingespritzt, während das obere das Evakuieren der Luft ermöglichte. Nach dem Füllvorgang wurden die zwei Metallröhrchen entfernt und die Öffnungen mittels einer Klebmasse verschlossen.
Das Solarmodul, das auf diese Weise gefüllt und somit bläschenfrei war, wurde anschließend in einem Autoklaven angeordnet. Dessen Temperatur wurde auf etwa 40°C erhöht, und der Überdruck im Autoklaven erreichte fast 60000 Pa (0,6 bar). Unter diesen Bedingungen polymerisierte das Harz und härtete nach 60 Minuten vollständig aus.
Nach Verlassen des Autoklaven war das Solarmodul einsatzbereit.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls, das eine Frontseite und eine tragende Rückseite, vorzugsweise aus Glas, und zwischen ihnen angeordnete Solarzellen umfasst, wobei der zwischen der Frontseite und der tragenden Rückseite vorhandene Hohlraum mit einem aushärtbaren Polyetherpolyurethan-Gießharz ausgefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Solarmodul während der Reaktion des Aushärtens des Harzes einem Überdruck ausgesetzt wird, der etwa 3·10⁴ Pa bis 1·10⁵ Pa (0,3 bis 1 bar) betragen kann.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Reaktionsgemisch, das sich aus einem oder mehreren aliphatischen Isocyanatprepolymeren und einem oder mehreren Polyetherpolyolen zusammensetzt, als Gießharz verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Isocyanatkomponente ein trifunktionelles aliphatisches Polyisocyanat auf der Basis von 1,6-Hexamethylendiisocyanat mit Biuret- oder Isocyanuratstruktur mit einem Gehalt an NCO-Gruppen von 12,6 bis 28 Gew.-% und einem mittleren Molekulargewicht von etwa 450 bis 1000 g/mol verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass als Polyolkomponente ein Polyetherpolyol auf der Basis von Trimethylolpropan und Propylenoxid mit einem Gehalt an OH-Gruppen, der 5,1 bis 12,8 Gew.-% betragen kann, und einem mittleren Molekulargewicht von etwa 400 bis 1000 g/mol verwendet wird.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Harzgemisch mit einem Verhältnis von NCO/OH, das 0,3 bis 0,8 betragen kann, verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Harzgemisch mit einem Verhältnis von NCO/OH von 0,5 verwendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem Gießharz ein Haftungsverstärker wie ein Silan, vorzugsweise ein Aminosilan, zugegeben wird, um die Haftung des Harzes an der Frontglasseite, der tragenden Rückseite und den Solarzellen zu verstärken.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem Harz ein Additiv zugegeben wird, das vor Ultraviolettstrahlen schützt, wobei das Additiv insbesondere auf der Basis eines Amins mit sterischer Raumerfüllung sein kann.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass, um die Aushärtungsreaktion zu beschleunigen, zu dem Reaktionsgemisch Dibutylzinndilaurat als Katalysator zugegeben wird.