DE69819157T2 - Einkapselungsmaterial für solarzellenmodul und verbundglas - Google Patents

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Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft Einbettmaterialien für unterschiedliche Anwendungen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Einbettmaterial für Solarzellenmodule und für die Anwendung in Verbundglas.
  • Durchsichtige Einbettmaterialien kommen in zahlreichen Anwendungen zum Einsatz, einschließlich in Solarzellenmodulen und in Verbundglas. Bei der Anwendung in Solarzellen schützen und dichten durchsichtige Einbettmaterialien die darunter liegenden Solarzellen ab, ohne die optischen Eigenschaften der darunter liegenden Materialien zu beeinträchtigen. Bei der Anwendung in Verbundglas minimieren durchsichtige Einbettmaterialien die Gefährdung aufgrund von Glasbruch. Bei diesen Anwendungen ist das Einbettmaterial der Ultraviolett (UV)-Strahlung der Sonne ausgesetzt, was zum Vergilben und zur physikalischen Zersetzung des Polymers führen kann. Um dies zu verhindern, werden dem Einbettmaterial UV-Stabilisatoren zugesetzt.
  • Bei der Herstellung von Solarzellenmodulen aus kristallinem Silicium wird ein durchsichtiges Einbettmaterial verwendet, um zu verhindern, dass die spröden Silicium-Solarzellen brechen, und um diese Zellen in die Struktur des Gesamtmoduls zu verschweissen. Bei dem Einbettmaterial handelt es sich in der Regel um einen Thermoplasten. Der Thermoplast wird geschmolzen, fließt dann in vorhandenen Öffnungen des Moduls hinein, füllt diese auf und bindet an alle angrenzenden Oberflächen. Das am häufigsten verwendete Einbettmaterial für Solarzellenmodule ist ein Copolymer aus Vinylacetat und Ethylen, das als Ethylen-Vinylacetat (EVA) bekannt ist. EVA wird sowohl zum Einbetten und Verschweissen von Solarzellenmodulen aus Dünnschichtals auch aus kristallinem Silicium verwendet.
  • Die Verwendung von EVA als Einbettmaterial ist mit einigen Nachteilen verbunden, die sich sowohl auf die Qualität als auch auf die Herstellungskosten von Solarzellenmodulen negativ auswirken. Erstens wird dem EVA zum Vernetzen ein organisches Peroxid zugesetzt, wobei die beim Laminiervorgang auftretende Wärme ausgenutzt wird. Das Vernetzen ist erforderlich, um die Kriechfestigkeit der eingebetteten Struktur zu erhöhen. Das Peroxid wird während des Vernetzens jedoch nicht vollständig aufgebraucht, so dass überschüssiges Peroxid eine spätere Oxidation und Zersetzung des EVA fördern kann. Außerdem muss wegen des Peroxids im EVA bei der Herstellung des Moduls das EVA im Vakuum laminiert werden. Der Grund hierfür ist, dass Sauerstoff den Vernetzungsgrad herabsetzt, was zu einem unbefriedigenden Einbettmaterial führt. Zweitens enthält das bevorzugte EVA in der Regel 33 Gew.-% Vinylacetat, so dass es eine sehr weiche und klebrige Substanz darstellt, die dazu neigt, mit sich selbst zu verkleben. Aufgrund dieser Klebrigkeit ist die Handhabung des EVA-Materials bei der Verarbeitung sehr viel problematischer und die Verarbeitung des Grundharzes teurer. Das EVA-Material selbst erfordert ein Trennpapier oder ein lineares Material, um es in Folienform verwenden zu können. Drittens ist bekannt, dass mit Peroxid vernetztes EVA unter dem extensiven Einfluss von Sonnenlicht über mehrere Jahre gelb und braun wird. Das Gelb- und Braunwerden führt zu einer Abnahme der Solarenergieausbeute. Viertens kann EVA unter Herstellungsbedingungen Essigsäure freisetzen, was wiederum die Metallkontaktkorrosion fördern kann. Fünftens ist bekannt, dass EVA relativ wasserdurchlässig ist und daher als Dichtmaterial bei weitem nicht optimal ist.
  • Obwohl praktisch jedes durchsichtige Polymer unter dem Einfluss von Sonnenlicht letzten Endes ein gewisses Ausmaß an Zersetzung und Vergilbung aufweist, ist ein Einbettmaterial, dass der Zersetzung und dem Vergilben länger als EVA widerstehen kann, erwünscht. Idealerweise sollte ein Solarzellenmodul dreißig Jahre halten, ohne deutliche Alterungserscheinungen aufzuweisen. Es ist unwahrscheinlich, dass EVA diese dreißigjährige Lebenserwartung erfüllen kann. Neben dem Auffinden eines geeigneten Ersatzes für EVA (oder für PVB, welches nachfolgend beschrieben wird) ist es außerdem erforderlich, ein geeignetes UV-Stabilisierungspaket für das Einbettmaterial zu entwickeln.
  • Bei der Anwendung in Verbundglas wird das Verbundglas hergestellt, indem man ein Sandwich aus zwei Glasteilen und einer dazwischenliegenden Folie aus einem durchsichtigen Polymer bildet. Diese Folie aus durchsichtigem Polymer soll verhindern, dass das Glas in der Verbundstruktur bei Glasbruch gefährliche Splitter bildet. Windschutzscheiben bei Kraftfahrzeugen und architektonisches Glas werden auf diese Art und Weise hergestellt. Ein häufig verwendetes Material für derartige Polymerfolien für die zuvor beschriebene Anwendung in Verbundglas ist Polyvinylbutyral (PVB). PVB weist jedoch einige Nachteile auf. Erstens ist PVB extrem hygroskopisch (d. h. es absorbiert leicht Feuchtigkeit). Daher muss es gekühlt aufbewahrt und unter speziellen atmosphärischen Bedingungen gelagert werden, bevor es erfolgreich la miniert werden kann. Zweitens ist PVB ebenfalls extrem weich und klebrig und muss daher mit einem Trennpapier oder einem Überzugspapier verwendet werden.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Einbettmaterial, welches in Solarzellenmodule, in Verbundglas und in zahlreichen weiteren Anwendungen eingesetzt werden kann. Das Einbettmaterial besitzt eine dreischichtige Struktur. Eine mittlere Schicht wird durch ein Metallocen-Polyethylen gebildet und befindet sich zwischen zwei äußeren Schichten aus einem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer. Die Metallocen-Polyethylen-Schicht kann Copolymere von Ethylen mit Buten, Hexen oder Octen umfassen.
  • Die säurehaltigen Copolymerschichten können sich von jedem direkten oder gepfropften Ethylen-Copolymer eines alpha-Olefins der Formel R-CH=CH2, worin R für einen Rest steht, der ausgewählt ist unter Wasserstoff und Alkylresten mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen, mit einer alpha,beta-ethylenisch ungesättigten Carbonsäure mit 3 bis 8 Kohlenstoffatomen ableiten. Die Säurereste sind statistisch oder nicht statistisch in der Polymerkette verteilt. Der alpha-Olefingehalt des Copolymers kann im Bereich von 50 bis 92% liegen, während der Gehalt an ungesättigter Carbonsäure im Copolymer 2 bis 25 Mol-%, bezogen auf das alpha-Olefin-Säure-Copolymer, betragen kann.
  • Die Schichten aus Metallocen-Polyethylen und säurehaltigem Copolymer sind außergewöhnlich durchsichtig. In einer spezifischen Ausführungsform ist die Metallocen-Polyethylen-Schicht aus einem Copolymer aus Ethylen und Octen aufgebaut, während die säurehaltigen Copolymere auf einem Ethylen-Methacrylsäure-Copolymer beruhen.
  • Ein Einbettmaterial, das eine Kombination dieser beiden Materialien darstellt, nutzt die besten Eigenschaften der einzelnen Materialien, ohne durch EVA oder durch das jeweilige einzeln verwendete Material eingeschränkt zu sein. Aufgrund der äußeren säurehaltigen Copolymer-Schichten kann das Einbettmaterial zu allen angrenzenden Oberflächen (d. h. zu einer Rückseite aus einem geeigneten Material) starke Bindungen ausbilden. Die innere Metallocen-Polyethylen-Schicht, welche den Großteil des Einbettmaterials ausmacht, ist ein hochtransparentes, kostengünstiges thermoplasti sches Material. Die beiden säurehaltigen Copolymer-Schichten sind dünn (d. h. in der Größenordnung von 0,001 bis 0,004" Dicke) und können entweder auf einem Ethylen-Methacrylsäure- oder einem Ethylen-Acrylsäure-Copolymeren (solche Coplymere, die 7–15 Gew.-% Carbonsäure enthalten) beruhen. Dieser Säuregehalt fördert die starke Haftkraft an die Glasüberschicht, an die Siliciumzellen und an die rückseitige tragende Oberfläche des eingebetteten Systems und fördert außerdem die hohe Lichtdurchlässigkeit. Das Metallocen-Polyethylen besitzt im Vergleich zu den säurehaltigen Copolymeren eine ausgezeichnete optische Klarheit und überlegene physikalische Eigenschaften. Diese überlegenen physikalischen Eigenschaften sind darauf zurückzuführen, dass der Metallocen-Katalysator zu einem Polymer mit enger Molekulargewichtsverteilung führt.
  • Es gibt etliche Vorteile, die mit einem Einbettmaterial, welches eine Kombination des Metallocen-Polyethylens mit dem säurehaltigen Copolymermaterial darstellt, verbunden sind. Einer dieser Vorteile betrifft die Bindungsstärke des Einbettmaterials an die angrenzenden Oberflächen. Die Bindungsstärke wird qualitativ durch ein Verfahren beschrieben, bei welchem unter den herrschenden Versuchsbedingungen die Bindung bricht. Der adhäsive Bindungsbruch stellt denjenigen Fall dar, in welchem die Bindung an der Phasengrenze bricht. Der cohäsive Bruch beschreibt eine wesentlich stärkere Bindung, bei dem das Polymermaterial selbst bricht, bevor der Bindungsbruch an der Phasengrenze erfolgt. In diesem Fall ist die Bindung an der Phasengrenze stärker als die innere Bindung im Polymer (d. h. im Einbettmaterial) selbst. Aufgrund der Säurefunktionalität unterliegen die äußeren säurehaltigen Copolymerschichten einem cohäsiven Bindungsbruch. Das Metallocen-Polyethylen unterliegt dagegen lediglich einem adhäsiven Bindungsbruch, wie dies auch bei EVA der Fall wäre.
  • Außerdem hätte allein verwendetes Metallocen-Polyethylen aufgrund der engen Molekulargewichtsverteilung einen eher engen Schmelzbereich, was die Herstellung von Folien aus diesem Material problematisch und die Laminierung schwierig gestalten würde.
  • Alternativ kann das Einbettmaterial eine Kombination aus Metallocen-Polyethylen als innere Schicht und lonomeren als die beiden äußeren Schichten darstellen. lonome re können hergestellt werden, indem man die säurehaltigen Copolymere mit Metallionen der Gruppen I, II oder III neutralisiert.
  • Im Gegensatz zu EVA und PVB ist das erfindungsgemäße Einbettmaterial nicht klebrig und kann bei der Verarbeitung leicht gehandhabt werden, ohne die Verwendung von Trennpapier erforderlich zu machen. Des Weiteren sind säurehaltige Copolymere gegenüber Feuchtigkeit völlig unempfindlich, so dass die fertige Folie aus Einbettmaterial keine besondere Lagerung erfordert und im Gegensatz zu EVA nicht in verschlossenen dunklen Beuteln aufbewahrt zu werden braucht.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Solarzellenmodul, welches das zuvor beschriebene Einbettmaterial umfasst. Das Modul umfasst wenigstens eine Solarzelle und das Einbettmaterial, das an wenigstens eine Oberfläche der Solarzelle angebracht ist. Eine vordere Trägerschicht wird durch das an die Vorderfläche des Einbettmaterials angrenzend angeordnete lichtdurchlässige Material gebildet und eine Rückseitenschicht ist an eine rückseitige Oberfläche des Einbettmaterials angrenzend angeordnet. Die vordere Trägerschicht und die Rückseitenschicht werden laminiert, um die Solarzelle gegen die umgebende Atmosphäre einzubetten und abzudichten.
  • Die Erfindung betrifft auch ein mehrschichtiges durchsichtiges Element, welches das zuvor beschriebene Einbettmaterial umfasst. Das Element umfasst eine vordere Trägerschicht aus durchsichtigem Material, die durchsichtige Einbettschicht und eine hintere Trägerschicht aus durchsichtigem Material. Die durchsichtige Einbettschicht ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche der vorderen Trägerschicht angeordnet. Die hintere Trägerschicht ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche der Einbettschicht angeordnet. Die vordere und die hintere Trägerschicht können Glas oder Kunststoff sein.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung von Einbettmaterial. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: Bereitstellen einer Folie aus Metallocen-Polyethylen; Anbringen einer ersten Schicht aus säurehaltigem Copolymer an eine vordere Oberfläche der Folie aus Metaflocen-Polyethylen; und Anbringen einer zweiten Schicht aus säurehaltigem Copolymer an eine rückseitige Oberfläche der Folie aus Metallocen-Polyethylen. Die Schichten aus säurehaltigem Copolymer können an die vordere und rückseitige Oberfläche der Folie aus Metallocen-Polyethylen binden. In einer speziellen Ausführungsform kann eine dreilagige Folie aus Einbettmaterial durch eins der zahlreichen Verfahren zur Coextrusion von thermoplastischem Material hergestellt werden. Alternativ können die säurehaltigen Copolymere in der ersten und zweiten Schicht neutralisiert werden, so dass sie die erste und die zweite lonomerschicht bilden.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines Solarzellenmoduls, bei dem man wenigstens eine Solarzelle bereitstellt; das zuvor beschriebene durchsichtige Einbettmaterial formt; das Einbettmaterial an wenigstens eine, vorzugsweise zwei Oberfläche(n) der Solarzelle angrenzend anordnet und die Solarzelle und das Einbettmaterial zwischen eine durchsichtige vordere Trägerschicht und eine hintere Trägerschicht anordnet.
  • Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen durchsichtigen Elements, bei dem man zwei durchsichtige Trägerschichten bereitstellt; das zuvor beschriebene durchsichtige Einbettmaterial formt; das Einbettmaterial zwischen die beiden Trägerschichten unter Bildung einer Anordnung einbringt; und die Anordnung laminiert, um die Trägerschichten mit der Einbettschicht zu vergießen.
  • 1 ist die Ansicht eines Querschnitts durch ein Einbettmaterial, welches den Erfindungsgedanken wiedergibt.
  • 2 ist die Ansicht eines Querschnitts durch ein Solarzellenmodul aus kristallinem Silicium, welches in dem Einbettmaterial aus 1 eingebettet ist.
  • 3 ist die Ansicht eines Querschnitts durch ein Solarzellenmodul, in welchem das Einbettmaterial und eine hintere Trägerschicht die Solarzellen einbetten.
  • 4 ist die Ansicht eines Querschnitts durch ein Kupfer-Indium-Diselenid-Dünnschicht-Solarzellenmodul, welches das Einbettmaterial umfasst.
  • 5 ist die Ansicht eines Querschnitts durch ein Solarzellenmodul aus amorphem Silicium, welches das Einbettmaterial umfasst.
  • 6 ist die Ansicht eines Querschnitts durch ein Cadmiumtellurid-Dünnschicht-Solarzellenmodul, welches das Einbettmaterial umfasst.
  • 7 ist die Ansicht eines Querschnitts durch eine Verbundglasstruktur, welche das Einbettmaterial umfasst.
  • 1 ist die Ansicht eines Querschnitts durch ein durchsichtiges Einbettmaterial 10, welches den Erfindungsgedanken wiedergibt. In einer Ausführungsform kann das Einbettmaterial 10 in einem Solarzellenmodul eingesetzt werden, um den Bruch von in einem Modul verwendeten Solarzellen aus kristallinem Silicium, die bei der praktischen Anwendung mechanischer Belastung ausgesetzt sind, zu verhindern. Das Einbettmaterial dient auch dazu, das Modul abzudichten, was insbesondere bei Dünnschichtmodulen wichtig ist. In einer weiteren Ausführungsform kann das Einbettmaterial 10 zwischen zwei Teilen aus Glas oder durchsichtigem Kunststoff zu einer zusammengesetzten Struktur laminiert werden, die bei Bruch nicht zerspringt.
  • Das Einbettmaterial umfasst eine innere Schicht 12 und äußere Schichten 14 und 16. Die äußere Schicht 14 ist angrenzend an eine vordere Oberfläche 18 der inneren Schicht 12 angeordnet, während die äußere Schicht 16 an eine rückseitige Oberfläche 19 der inneren Schicht 12 angrenzend angeordnet ist. Die innere Schicht 12 umfasst ein hochtransparentes thermoplastisches Material. Die äußeren Schichten 14, 16 sind aus einem durchsichtigen Polymer aufgebaut, welches mit unterschiedlichen Materialien, wie Glas, Metalle und andere Polymere, heiß verklebt werden kann.
  • In einer Ausführungsform kann die innere Schicht 12 aus Metallocen-Polyethylen aufgebaut sein, während die äußeren Schichten 14, 16 aus einem säurehaltigen Copolymer gebildet sind. Metallocen-Polyethylen wird unter Verwendung einer organometallischen Koordinationsverbindung als Katalysator hergestellt, welche in Form eines Cyclopentadienyl-Derivats eines Übergangsmetalls oder eines Metallhalogenids erhalten wird. Säurehaltige Copolymere umfassen beispielsweise Copolymere von Ethylen und Methacrylsäure oder Ethylen und Acrylsäure.
  • Die Zugabe von 14% Octen als Comonomer zum Metallocen-Polyethylen führt zu einer inneren Schicht 12 mit ausgezeichneter optischer Klarheit. Außerdem besitzt die innere Schicht 12 verbesserte physikalische Eigenschafen, da das zur Herstellung des Materials angewandte Katalysatorverfahren zu einem Polymer mit einer engen Molekulargewichtsverteilung führt. Mit herkömmlichen Katalysatoren hergestellte Polymere weisen tendenziell signifikante Mengen von niedermolekularen Komponenten auf. Im Vergleich zu den höhermolekularen Komponenten des Polymers verschlechtern letztere die mechanischen Eigenschaften des Gesamtpolymers. Da ein mit einem Metallocen-Katalysator hergestelltes Polymer eine engere Molekulargewichtsverteilung und weniger niedermolekulare Komponenten aufweist, zeigt es eine größere mechanische Festigkeit und eine größere Durchstoßfestigkeit.
  • Obwohl Metallocen-Polyethylen gute optische Eigenschaften besitzt, bildet es Bindungen, die einen adhäsiven Bruch anstelle des viel stärkeren cohäsiven Bruchs zeigen. Metallocen-Polyethylen ist aufgrund der engen Molekulargewichtsverteilung auch schwer zu verarbeiten. Ein thermoplastisches Material mit einer engen Molekulargewichtsverteilung besitzt einen engen Schmelzbereich, was die Herstellung von Folien aus diesem Material oder die Laminierung schwierig gestaltet. Die Bereitstellung der äußeren Schichten 14, 16 aus dem säurehaltigen Copolymer löst diese Probleme.
  • In einer Ausführungsform sind die äußeren Schichten 14, 16 aus einem säurehaltigen Copolymer mit einem hohen Säuregehalt (etwa 9 Gew.-% freie Säure) aufgebaut. Der hohe Säuregehalt führt zu starken Bindungen (d. h. cohäsiver Bruch beim Spaltversuch) und verbessert die optischen Eigenschaften des säurehaltigen Copolymers. Die innere Schicht 12 aus Metallocen-Polyethylen umfasst ein Ethylen-alpha-Olefin mit 14% Octen als Comonomer. Diese dreischichtige Struktur besitzt interessante optische Eigenschaften. Wenn dieses Einbettmaterial unter Wärme und Druck laminiert wird, sieht es trüb und bläulich aus. Misst man jedoch die Gesamttransmission von Licht durch das Material unter Verwendung einer Ulbrichtkugel (integrating sphere), stellt man fest, dass mehr als 90% des gesamten Lichts durch das Material hindurchtreten. Dies liegt daran, dass kristalline Regionen von Mikro- oder Nanogröße in den äußeren säurehaltigen Copolymer-Schichten das einfallende Licht streuen.
  • Das Einbetten einer Solarzelle im erfindungsgemäßen Einbettmaterial führt im Gegensatz zu in EVA eingebetten Solarzellen zu keiner Verringerung der Lichtmenge, welche die Zelle erreicht.
  • Die Kurzschlussstromdichte, welche ein direktes Maß für die Lichtmenge, welche die Solarzelle erreicht, darstellt, wurde bei Solarzellen ohne Laminierung und bei Solarzellen, die mit dem erfindungsgemäßen Einbettmaterial laminiert waren, sowie bei solchen, die mit EVA laminiert waren, unter einem Glasstück gemessen. Es wurden vier Proben des neuen Einbettmaterials und vier Proben von vernetztem EVA gemessen, mit dem Ergebnis, dass nach dem Laminieren die neuen Einbettproben bezüglich des Kurzschlussstroms einen durchschnittlichen Nettogewinn von 2,2% zeigten, während die EVA-Proben einen durchschnittlichen Nettogewinn von 1,7 aufwiesen.
  • Das Einbettmaterial 10 kann durch jedes Film- oder Folien-Coextrusionsverfahren, wie Blasfolien-, modifiziertes Blasfolien-, Kalanderfolien- oder Gießfolienverfahren, hergestellt werden. In einer Ausführungsform wird das Einbettmaterial 10 durch Coextrusion der Metallocen-Polyethylen-Schicht 12 und der säurehaltigen Copolymer-Schichten 14, 16 in einem Blasfolienverfahren hergestellt. Insbesondere umfasst die Metallocen-Polyethylen-Schicht eine erste und eine zweite Unterschicht 12a bzw. 12b aus Metallocen-Polyethylen. Die erste säurehaltige Copolymer-Schicht 14 wird mit der ersten Metallocen-Polyethylen-Unterschicht 12a coextrudiert und die zweite säurehaltige Copolymer-Schicht 16 wird mit der zweiten Metallocen-Polyethylen-Unterschicht 12b coextrudiert. Zur Herstellung des Einbettmaterials 10 wird die erste Schicht 12a des Metallocen-Polyethylens (zusammen mit der ersten säurehaltigen Copolymer-Schicht 14) dann mit der zweiten Schicht 12b des Metallocen-Polyethylens (zusammen mit der zweiten säurehaltigen Copolymer-Schicht 16) verklebt. Auf diese Weise kann eine dickere Einbettschicht und die gewünschte dreischichtige Struktur erzeugt werden.
  • Die Dicke der säurehaltigen Copolymer-Schichten 14, 16 kann im Bereich von 0,001 bis 0,004 Zoll liegen, während die Schicht 12 jede gewünschte Dicke aufweisen kann. Bei der Anwendung in Solarzellen kann die Schicht 12 eine Dicke von etwa 0,015 Zoll aufweisen, so das die Gesamtdicke des Einbettmaterials 10 etwa 0,018 Zoll beträgt. Das Einbettmaterial kann in Form langer Folien hergestellt werden, die in geeigneten Rollen gewünschter Breite gelagert werden können.
  • Alternativ kann die innere Schicht aus Metallocen-Polyethylen gebildet sein und die äußeren Schichten 14, 16 aus einem lonomer. Das lonomer kann dadurch hergestellt werden, dass man das säurehaltige Copolymer mit Metallionen neutralisiert. Zur Herstellung von Einbettmaterial, welches lonomere umfasst, kann ebenfalls das oben beschriebene Verfahren zur Herstellung von Einbettmaterial, welches säurehaltige Copolymere umfasst, angewandt werden.
  • 2 ist die Ansicht eines Querschnitts eines Solarzellenmoduls 20, in welchem das Einbettmaterial 10 miteinander verbundene Solarzellen 22 aus kristallinem Silicium einschließt. Das Einbettmaterial 10 ist angrenzend an die vordere 23 und rückseitige Oberfläche 24 der miteinander verbundenen Solarzellen 22 angeordnet. Das Einbettmaterial 10, das an die rückseitige Oberfläche 24 der miteinander verbundenen Solarzeilen 22 angrenzt, kann pigmentiert sein. Das Einbettmaterial 10 kann an die miteinander verbundenen Solarzellen 22 gebunden sein. Eine vordere Trägerschicht 26, welche aus lichtdurchlässigem Material gebildet ist, bedeckt die vorderen Oberflächen 23 der eingebetteten, miteinander verbundenen Solarzellen 22. Die vordere Trägerschicht 26 kann aus Glas oder einem durchsichtigen Polymer gebildet sein. Eine Rückseitenschicht 28 befindet sich angrenzend an die rückseitigen Oberflächen 24 der eingebetteten, miteinander verbundenen Solarzellen 22. Die Rückseitenschicht 28 kann (1) aus einem Polymer, wie Tedlar-Laminat, (2) aus einem thermoplastischen Material, welches Ecken abschließen kann, so dass kein Aluminiumrahmen erforderlich ist, oder (3) aus einem Glasstück, welches ein doppeltes Glasmodul bildet, aufgebaut sein. In einer spezifischen Ausführungsform handelt es sich bei der Rückseitenschicht 28 um ein thermoplastisches Polyolefin, welches ein Gemisch aus wenigstens zwei säurehaltigen Copolymeren, z. B. ein Natrium-Säure-Copolymer und ein Zink-Säure-Copolymer, gegebenenfalls mit 10–20 Gew.-% Glasfaser, umfasst.
  • 3 stellt die Ansicht eines Querschnitts durch ein Solarzellenmodul 30 dar, in welchem das Einbettmaterial 10 gemeinsam mit der Rückseitenschicht 28 die miteinander verbundenen Solarzellen 22 einbettet. Das Einbettmaterial 10 befindet sich angrenzend an den vorderen Oberflächen 23, jedoch nicht an den hinteren Oberflä chen der miteinander verbundenen Solarzellen 22. Es ist nicht erforderlich, das Einbettmaterial angrenzend an die rückseitigen Oberflächen 24 der miteinander verbundenen Solarzellen 22 anzuordnen. Die Rückseitenschicht 28 dient als rückseitiges Einbettmaterial und als hintere Oberfläche des Moduls.
  • 4 stellt die Ansicht eines Querschnitts durch ein Solarzellenmodul 40 dar, welches einen Dünnschichtfilm aus Kupfer-Indium-Diselenid (CIS) umfasst. Eine Zinkoxid (ZnO)-Schicht 32 ist auf eine vordere Oberfläche 31 des Kupfer-Indium-Diselenid (CIS)-Films 34 aufgetragen, während sich ein Rückseitenkontakt 36 an einer rückseitigen Oberfläche 33 des Films 34 befindet. Das Einbettmaterial 10 ist auf der ZnO-Schicht 32 aufgebracht und die vordere Trägerschicht 26 befindet sich auf dem Einbettmaterial 10. Die Substratschicht 28, welche aus Glas, Kunststoff oder Metall aufgebaut sein kann, ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche des Rückseitenkontakts 36 angeordnet. Im Rahmen dieser Erfindung wird CIS als äquivalent zu der allgemeinen Klasse von I-III-VI2-Verbindungen, wie die pentenäre Verbindung Cu(In, Ga)(Se, S)2, betrachtet. Die durchsichtige leitende Schicht (d. h. die ZnO-Schicht) wird als äquivalent zu der Kombination aus der durchsichtigen leitenden Schicht mit einer dünnen Pufferschicht (z. B. eine 500 Å CdS-Schicht) betrachtet.
  • 5 ist die Ansicht eines Querschnitts durch ein Solarzellenmodul aus amorphem Silicium 50, welches das Einbettmaterial 10 umfasst. Eine Schicht aus dünnem, durchsichtigem, leitendem Oxid 42 (z. B. Zinnoxid (SnO2)) ist auf eine vordere Trägerschicht, welche Glas umfasst, aufgetragen. Eine Schicht aus amorphem Silicium 44 ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche der Oxidschicht 42 angebracht und ein Rückseitenkontakt 46 ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche der Schicht aus amorphem Silicium 44 angeordnet. Das Einbettmaterial 10 befindet sich angrenzend an eine rückseitige Oberfläche des Rückseitenkontakts 46. Die Rückseitenschicht 28, welche aus Glas, Kunststoff oder Metall aufgebaut sein kann, ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche des Einbettmaterials 10 angeordnet. Eine vordere Trägerschicht, welche Glas umfasst, ist auf die Oxidschicht 42 angebracht.
  • 6 ist die Ansicht eines Querschnitts durch ein Dünnschichtmodul aus Cadmiumtellurid (CdTe) 60. Eine rückseitige Oberfläche der vorderen Trägerschicht 26 ist mit einer dünnen, durchsichtigen, leitenden Oxidschicht 42 beschichtet. Eine Cadmium sulfid (CdS)-Schicht 52 ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche der Oxidschicht 42 angebracht und eine Cadmiumtellurid (CdTe)-Schicht 54 ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche der CdS-Schicht 52 angebracht. Ein Rückseitenkontakt 42 ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche der CdTe-Schicht 54 angeordnet. Das Einbettmaterial 10 befindet sich angrenzend an eine rückseitige Oberfläche des Rückseitenkontakts 42 und eine Rückseitenschicht 28 befindet sich angrenzend an eine rückseitige Oberfläche des Einbettmaterials 10.
  • 7 ist die Ansicht eines Querschnitts durch eine Anordnung 70 aus Verbundglas oder aus einem durchsichtigem Polymer. Eine vordere Trägerschicht 62 aus durchsichtigem Material ist angrenzend an eine vordere Oberfläche 11 des Einbettmaterials 10 angebracht, während eine hintere Trägerschicht 64, ebenfalls aus durchsichtigem Material, angrenzend an eine rückseitige Oberfläche 13 des Einbettmaterials 10 angeordnet ist. Die Gesamtanordnung 70 wird dann laminiert, um die Trägerschichten 62, 64 mit dem Einbettmaterial 10 zu verschweißen.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Additivpaket zur UV-Stabilisierung, welches im Einbettmaterial eingesetzt wird, um die Zersetzung zu verhindern. Photooxidation (Oxidation aufgrund von UV-Licht) und thermische Oxidation (Oxidation aufgrund von Wärme) sind zwei Mechanismen, die zu Zersetzung führen. Durch Verwendung eines Additivpakets zur Stabilisierung kann das Einbettmaterial für eine längere Zeit der Zersetzung widerstehen. Beim Einsatz in Solarzellenmodulen kann das Einbettmaterial der Zersetzung während einer Betriebszeit von bis zu 30 Jahren widerstehen. Bei der Anwendung in Verbundglas oder in durchsichtigen Polymeren hat das Einbettmaterial eine noch längere Lebenserwartung, da es bis auf die Ecken des mehrschichtigen Systems keinen Kontakt zu Sauerstoff oder Wasserdampf hat. Wenn die Ecken gut abgedichtet sind, ist die Wahrscheinlichkeit, dass eine Photooxidation stattfindet, sehr gering.
  • Das Additivpaket zur Stabilisierung muss für die jeweilige Anwendung des Einbettmaterials geeignet sein und dem Lösungsvermögen der beiden Materialien, die als Metallocen-Polyethylen-Schicht 12 und als säurehaltige Copolymerschichten 14, 16 des Einbettmaterials 10 dienen, genügen. Das Additivpaket zur Stabilisierung muss in beiden Materialien bis zur gewünschten Menge löslich sein. Ansonsten würden ein Konzentrationsgradient und Migration auftreten. Metallocen-Polymere besitzen in der Regel ein niedrigeres Lösungsvermögen als säurehaltige Copolymere, so dass die Auswahl eines geeigneten Stabilisators nicht trivial ist.
  • Man hat festgestellt, dass das erfindungsgemäße Additivpaket zur Stabilisierung weder einen Ultraviolettlichtabsorber (UVA) noch ein phenolisches Antioxidans (AO) enthalten braucht. Da sowohl bei der Anwendung im Solarzellenmodul als auch in Verbundglas das Glas einen signifikanten Anteil des Ultraviolettlichts der Sonne herausfiltert, wird ein Ultraviolettlichtabsorber nicht benötigt. Außerdem ist es bekannt, dass einige Ultraviolettabsorber vergilben. Es wurde auch festgestellt, dass der Stabilisator kein phenolisches Antioxidans enthalten braucht, da das Einbettmaterial auch nach wiederholten Extrusionen keine signifikante Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften aufweist und außerdem auch phenolische Antioxidantien bekanntermaßen vergilben.
  • Aufgrund der zuvor angestellten Überlegungen umfasst das erfindungsgemäße Additivpaket zur Ultraviolettstabilisierung eine Kombination von sterisch gehinderten Aminstabilisatoren. Einer der sterisch gehinderten Amin-Lichtstabilisatoren bewirkt eine thermisch-oxidative und photo-oxidative Stabilisierung, während der zweite sterisch gehinderte Amin-Stabilisator insbesondere zur photo-oxidativen Stabilisierung führt.
  • In einer Ausführungsform umfasst das Additivpaket zur Stabilisierung 0,1–0,25% sterisch gehindertes Amin mit einer hohen Schutzwirkung gegen die thermische Oxidation und Photooxidation und 0,25–1,0% sterisch gehindertes Amin mit einer hohen Schutzwirkung insbesondere gegenüber der Photooxidation. Idealerweise weist ein sterisch gehindertes Amin beide Eigenschaften auf. Ein sterisch gehindertes Amin, das beide Funktionen ausüben kann, muss jedoch auch im Metallocen-Polyethylen und im säurehaltigen Copolymer des Einbettmaterials löslich sein, was die Suche danach schwierig gestaltet.
  • Zu den Beispielen für sterisch gehinderte Amine, welche sowohl zu einer thermischoxidativen als auch zu einer photooxidativen Stabilisierung führen, gehören 1,3,5-Triazin-2,4,6-triamin-N,N'''-[1,2-ethandiylbis[[[4,6-bis[butyl-(1,2,2,6,6-pentamethyl-4- piperidinyl)-amino]-1,3,5-triazin-2-yl]imino]-3,1-propandiyl]]-bis[N',N''-dibutyl-N',N''-bis(1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidinyl) (Chimassorb 119, CAS Reg. Nr. 106990-436); N,N'-Bis(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl)-1,6-hexandiamin-Polymer mit 2,4,6-Trichlor-1,3,5-triazin und 2,4,4-Trimethyl-1,2-pentandiamin (Chimassorb 944, ACS Reg. Nr. 70624-18-9); und N,N'-Bis(2,2,6,6-Tettamethyl-4-piperidinyl)-1,6-hexandiamin-Polymer mit 2,4,6-Trichlor-1,3,5-triazin und Tetrahydro-1,4-oxazin (Cyasorb UV 3346).
  • Zu den Beispielen für sterisch gehinderte Aminstabilisatoren, welche zu einer photooxidativen Stabilisierung führen, gehören Dimethylsuccinat-Polymer mit 4-Hydroxy-2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinethanol (Tinuvin 622, CAS Reg. Nr. 65447-77-0); Bis(2,2,6,6-Tettamethyl-4-piperidinyl)-sebacat (Tinuvin 770, ACS Reg. Nr. 52829-07-9); Propandisäure-[C4-(methoxyphenyl)-methylen]-bis(1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidinyl)-ester (CAS Reg. Nr. 94274-03-0, Sanduvor PR-31); Polymethylpropyl-3-oxy-[4(2,2,6,6-tetramethyl)piperidinyl]siloxan (Uvasil 299 HM), und 3-Dodecyl-1-(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl)-2,5-pyrrolidindion (Cyasorb UV 3604).
  • In einer anderen Ausführungsform können die sterisch gehinderten Lichtstabilisatoren auf eine Polymerstruktur gepfropft sein. Sanduvor PR-31 stellt eine neue Klasse von sterisch gehinderten Amin-Lichtstabilisatoren dar, welche auf eine Polymerstruktur gepfropft sind. Wenn ein sterisch gehinderter Amin-Lichtstabilisator auf ein Polymer gepfropft ist, verbleibt es als Stabilisator im Polymer.
  • Auch wenn die Erfindung insbesondere mit Bezug auf spezifische Ausführungsformen beschrieben wurde, versteht es sich für den Fachmann von selbst, dass im Rahmen der Erfindung, wie sie in den Ansprüchen definiert ist, Form und Details variiert werden können.

Claims (18)

  1. Einbettmaterial, umfassend: eine erste äußere Schicht aus einem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer; eine innere Schicht aus Metallocen-Polyethylen, die an eine rückseitige Oberfläche der ersten äußeren Schicht angrenzt; eine zweite äußere Schicht aus dem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer, die an eine rückseitige Oberfläche der Schicht aus Metallocen-Polyethylen angrenzt, wobei jede der ersten äußeren Schicht, der inneren Schicht und der zweiten äußeren Schicht ein UV-Stabilisator-Additivpaket umfasst, das einen ersten HALS zur thermisch-oxidativen Stabilisierung und einen zweiten HALS zur photooxidativen Stabilisierung umfasst.
  2. Einbettmaterial nach Anspruch 1, wobei die erste äußere Schicht aus dem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer und die zweite äußere Schicht aus dem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer zur Haftung an einer benachbarten Oberfläche fähig sind.
  3. Einbettmaterial nach Anspruch 1 oder 2, wobei die innere Schicht aus Metallocen-Polyethylen Hexen-, Buten- oder Octen-Comonomere umfasst.
  4. Einbettmaterial nach Anspruch 1, wobei die erste äußere Schicht aus dem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer und die zweite äußere Schicht aus dem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer jeweils einen Gehalt an freier Säure zwischen 7 und 15 Gew.-% aufweisen.
  5. Einbettmaterial nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste äußere Schicht aus dem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer und die zweite äußere Schicht aus dem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer jeweils ein Copolymer von Methacrylsäure und Ethylen umfassen.
  6. Einbettmaterial nach einen der Ansprüche 1 bis 4, wobei die erste äußere Schicht aus dem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer und die zweite äußere Schicht aus dem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer jeweils ein Copolymer von Acrylsäure und Ethylen umfassen.
  7. Einbettmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die innere Schicht aus Metallocen-Polyethylen, die erste und zweite äußere Schicht aus dem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer im Wesentlichen durchsichtig sind.
  8. Einbettmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die innere Schicht aus Metallocen-Polyethylen zwei miteinander verbundene Teilschichten aus Metallocen-Polyethylen umfasst.
  9. Einbettmaterial nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die erste äußere Schicht aus dem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer und die zweite äußere Schicht aus dem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer jeweils eine Dicke im Bereich von 0,001 bis 0,004 Inch aufweisen.
  10. Mehrschichtiges durchsichtiges Element, umfassend: eine vordere Trägerschicht aus durchsichtigem Material; eine durchsichtige Einbettschicht, die angrenzend an eine rückseitige Oberfläche der vorderen Trägerschicht angeordnet ist, wobei die Einbettschicht umfasst (1) eine erste äußere Schicht aus einem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer, (2) eine innere Schicht aus einem Metallocen-Polyethylen, die an eine rückseitige Oberfläche der ersten äußeren Schicht angrenzt, und (3) eine zweite äußere Schicht aus dem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer, die an eine rückseitige Oberfläche der inneren Schicht aus Metallocen-Polyethylen angrenzt, wobei jede der ersten äußeren Schicht, der inneren Schicht und der zweiten äußeren Schicht ein UV-Stabilisator-Additivpaket umfasst, das einen ersten HALS zur thermisch-oxidativen Stabilisierung und einen zweiten HALS zur photooxidativen Stabilisierung umfasst; und eine hintere Trägerschicht aus durchsichtigem Material, die angrenzend an eine rückseitige Oberfläche der Einbettschicht angeordnet ist.
  11. Mehrschichtiges durchsichtiges Element nach Anspruch 10, wobei die vordere Trägerschicht Glas oder Kunststoff ist.
  12. Mehrschichtiges durchsichtiges Element nach Anspruch 10 oder 11, wobei die hintere Trägerschicht Glas oder Kunststoff ist.
  13. Verfahren zur Herstellung eines Einbettmaterials, bei dem man: eine Folie aus Metallocen-Polyethylen bereitstellt, die ein UV-Stabilisator-Additivpaketumfasst; eine erste Schicht aus einem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer, die ein UV-Stabilisator-Additivpaket umfasst, an eine vordere Oberfläche der Folie aus Metallocen-Polyethylen anlegt; und eine zweite Schicht aus dem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer, die ein UV-Stabilisator-Additivpaket umfasst, an eine rückseitige Oberfläche der Folie aus Metallocen-Polyethylen anlegt, wobei das UV-Stabilisator-Additivpaket einen ersten HALS zur thermisch-oxidativen Stabilisierung und einen zweiten HALS zur photooxidativen Stabilisierung umfasst.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem man außerdem die erste Schicht aus dem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer an die vordere Oberfläche der Folie aus Metallocen-Polyethylen bindet und die zweite Schicht aus dem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer an die rückseitige Oberfläche der Folie aus Metallocen-Polyethylen bindet.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, wobei die Folie aus Metallocen-Polyethylen eine erste Schicht aus Metallocen-Polyethylen und eine zweite Schicht aus Metallocen-Polyethylen umfasst.
  16. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem man außerdem die erste Schicht aus dem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer und die erste Schicht aus Metallocen-Polyethylen verbindet und die zweite Schicht aus dem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer und die zweite Schicht aus Metallocen-Polyethylen verbindet.
  17. Verfahren nach Anspruch 15, bei dem man außerdem die erste Schicht aus Metallocen-Polyethylen an die zweite Schicht aus Metallocen-Polyethylen bindet.
  18. Verfahren zur Herstellung eines mehrschichtigen durchsichtigen Elements, bei dem man: zwei durchsichtige Trägerschichten bereitstellt; ein durchsichtiges Einbettmaterial herstellt, das umfasst: (1) eine erste Schicht aus einem säurehaltigen Polyethylen-Copolymer, (2) eine Schicht aus Metallocen-Polyethylen, die an eine rückseitige Oberfläche der ersten Schicht angrenzt, und (3) eine zweite Schicht aus dem säurehaltigen Polyethylen-Copolymers, die an eine rückseitige Oberfläche der Schicht aus Metallocen-Polyethylen angrenzt, wobei jede der ersten Schicht, der Schicht aus Metallocen-Polyethylen und der zweiten Schicht ein UV-Stabilisator-Additivpaketumfasst, das einen ersten HALS zur thermisch-oxidativen Stabilisierung und einen zweiten HALS zur photooxidativen Stabilisierung umfasst; die Einbettschicht zwischen die beiden Trägerschichten unter Bildung einer Anordnung einbringt; und die Anordnung laminiert, um die Trägerschichten mit der Einbettschicht zu vergießen.
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