DE69837921T2 - Stabilisatorzusammensetzung gegen uv-licht zur anwendung in solarzellenmodulen und verbundglasscheiben - Google Patents

Stabilisatorzusammensetzung gegen uv-licht zur anwendung in solarzellenmodulen und verbundglasscheiben Download PDF

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Description

  • Staatliche Beteiligung
  • Der hierin beschriebene Gegenstand wurde zum Teil durch Photovoltaic Manufacturing Technology (PVMaT) Vertrag Nr. ZAP-5-14271-09 gefördert.
  • Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft ein Additivpaket zur Stabilisierung gegen ultraviolettes Licht für verschiedene Anwendungen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Additivpaket zur Stabilisierung gegen ultraviolettes Licht zur Verwendung in einem Einkapselungsmaterial zur Anwendung in Solarzellenmodulen und Verbundglasscheiben.
  • Hintergrund
  • Durchsichtige Einkapselungsmaterialien werden in vielen Anwendungen eingesetzt, einschließlich Anwendungen in Solarzellenmodulen und Verbundglasscheiben. Bei Anwendungen in Solarzellen schützen und versiegeln durchsichtige Einkapselungsmittel die darunter liegenden Solarzellen, ohne die optischen Eigenschaften von solchen darunter liegenden Materialien negativ zu beeinflussen. Bei Anwendungen in Verbundglasscheiben minimieren durchsichtige Einkapselungsmittel alle möglichen durch zerbrochenes Glas verursachte Risiken. In diesen Anwendungen ist das Einkapselungsmittel den ultravioletten (UV) Strahlen der Sonne ausgesetzt und deren Einwirkung kann zur Vergilbung und physikalischem Abbau des Polymeren führen. Um dies zu verhindern, werden dem Einkapselungsmittel UV-Stabilisatoren zugesetzt.
  • Bei der Herstellung von Solarzellenmodulen mit kristallinem Silizium wird ein durchsichtiges Einkapselungsmaterial verwendet, um die spröden Solarzellen aus Silizium vor dem Zerbrechen zu schützen und um die Versiegelung dieser Zellen in der Gesamtstruktur des Moduls zu unterstützen. Das Einkapselungsmaterial ist üblicherweise ein Thermoplast. Der Thermoplast wird geschmolzen und fließt in alle offenen Räume des Moduls und füllt sie auf und bindet an alle angrenzenden Oberflächen. Das am meisten verbreitete Einkapselungsmaterial für Solarzellenmodule ist ein Copolymer von Vinylacetat und Ethylen, bekannt als Ethylenvinylacetat (EVA). EVA wird zur Verkapselung und Versiegelung sowohl von Dünnfilmsolarzellenmodulen als auch von Solarzellenmodulen mit kristallinem Silizium verwendet.
  • Mit der Verwendung von EVA als Einkapselungsmaterial sind mehrere Nachteile verbunden, die sich nachteilig auf die Qualität und die Herstellkosten der Solarzellenmodule auswirken. Erstens wird dem EVA ein organisches Peroxid zugegeben, um es durch die Hitze, die mit dem Laminierungsprozess verbunden ist, zu vernetzen. Die Vernetzung ist notwendig, um die Kriechfestigkeit der eingekapselten Struktur zu erhöhen. Jedoch wird das Peroxid während des Vernetzungsprozesses nicht vollständig verbraucht und das restliche Peroxid kann nachfolgende Oxidation und Abbau von EVA fördern. Zusätzlich muss das EVA wegen der Anwesenheit von Peroxid im EVA bei der Herstellung eines Moduls im Vakuum laminiert werden. Der Grund dafür ist, dass Sauerstoff den Vernetzungsgrad senkt, wodurch ein unbefriedigendes Einkapselungsmittel erhalten wird. Zweitens enthält das bevorzugte EVA normalerweise 33 Gew.-% (Gewichtsprozent) Vinylace tat und ist daher eine sehr weiche und klebrige Substanz, die dazu neigt, an sich selbst zu haften. Diese Klebrigkeit macht die Handhabung des EVA Materials unter Produktionsbedingungen sehr viel mühsamer. Als solches erfordert das EVA-Material ein Trennpapier oder ein Trägermaterial, damit das Material benutzt werden kann. Drittens ist mit Peroxid ausgehärtetes EVA dafür bekannt, gelb und braun zu werden, wenn es über mehrere Jahre in hohem Maße dem Sonnenlicht ausgesetzt wird. Die Gelb- und Braunfärbung führt zu einer Verringerung der Leistungsabgabe des Solarmoduls. Viertens kann EVA unter den Verarbeitungsbedingungen Essigsäure produzieren, die dann die Kontaktkorrosion von Metallen fördern kann. Fünftens ist EVA dafür bekannt, ziemlich wasserdurchlässig zu sein und ist folglich weit davon entfernt, ein ideales Dichtungsmittel zu sein.
  • Obgleich praktisch jedes durchsichtige Polymer schließlich etwas Abbau und Vergilbung nach Einwirkung von Sonnenlicht zeigt, besteht ein Bedarf für ein Einkapselungsmaterial, das dem Abbau und der Vergilbung über einen längeren Zeitraum als EVA widerstehen kann. Im Idealfall sollte ein Solarzellenmodul dreißig Jahre überdauern, ohne starke Anzeichen von Abbau zu zeigen. Es ist unwahrscheinlich, dass EVA dieser Forderung nach einer dreißigjährigen Lebenszeit gerecht werden kann. Neben dem Auffinden eines geeigneten Ersatzes für EVA (oder PVE, das weiter unten beschrieben wird), ist auch die Entwicklung eines geeigneten Pakets zur Stabilisierung gegen UV-Licht erforderlich.
  • In Anwendungen von Verbundglasscheiben wird das Verbundglas erzeugt, indem man ein Sandwich aus zwei Glasplatten mit einer zwischen den beiden Platten angeordneten Folie eines durchsichtigen Polymers herstellt. Diese durchsichtige Polymerfolie dient dazu, zu verhindern, dass das Glas in der laminierten Struktur in gefährliche Scherben zerbricht, wenn das Glas zerbrochen wird. Windschutzscheiben für Automobile und Glas für den Einsatz im Bauwesen werden auf diese Weise hergestellt. Polyvinylbutyral (PVB) ist ein häufig benutztes Material für solche Polymerfolien in den vorgenannten Anwendungen in Verbundglasscheiben. PVB hat jedoch einige Nachteile. Erstens ist PVB extrem hygroskopisch (d. h. es saugt Feuchtigkeit bereitwillig auf). Folglich muss es gekühlt aufbewahrt werden und unter speziellen atmosphärischen Bedingungen gehalten werden, bevor es erfolgreich laminiert werden kann. Zweitens ist PVB auch extrem weich und klebrig und muss daher zusammen mit einer Trennschicht oder mit Trägerschichten verwendet werden.
  • Zusammenfassung der Erfindung
  • Diese Erfindung stellt ein Einkapselungsmaterial bereit, das ein Additivpaket zur Stabilisierung gegen ultraviolettes (UV) Licht enthält, das in Solarzellenmodulen, Verbundglasscheiben und einer Vielzahl anderer Anwendungen verwendet werden kann. Das Additivpaket zur Stabilisierung gegen UV-Licht umfasst ein erstes Lichtschutzmittel aus sterisch gehindertem Amin und ein zweites Lichtschutzmittel aus sterisch gehindertem Amin. Das erste Lichtschutzmittel aus sterisch gehindertem Amin bewirkt eine Stabilisierung gegen thermische Oxidation, während das zweite Lichtschutzmittel aus sterisch gehindertem Amin eine Stabilisierung gegen Photooxidation bewirkt.
  • Ein Aspekt der Erfindung ist, dass weder ein Absorptionsmittel für ultraviolette Strahlung (UVA) noch ein Antioxidans (AO) erforderlich sind, um die Stabilisierung gegen UV-Licht zu erreichen. Antioxidantien werden benutzt, um sicherzustellen, dass das Polymer nicht übermäßig oxidiert und dadurch eine Verschlechterung seiner Eigenschaften erleidet, während es zu einer Folie oder zu einem Film verar beitet wird. Experimente, die mit einem Einkapselungsmaterial durchgeführt wurden, das das Additivpaket zur Stabilisierung gegen UV-Licht enthielt, deuten darauf hin, dass das Einkapselungsmaterial keinerlei Verschlechterung in seinen physikalischen Eigenschaften nach wiederholten Extrusionen erleidet, auch wenn kein Antioxidans zugegeben wird. Das erfindungsgemäß verwendete Additivpaket zur Stabilisierung enthält keine Absorptionsmittel für ultraviolette Strahlung, da diese dafür bekannt sind, bei längerer Lichteinwirkung Vergilbung zu verursachen. Anders als bei der vorliegenden Erfindung enthalten herkömmliche Formulierungen von EVA und PVB sowohl Antioxidantien als auch Absorptionsmittel für ultraviolette Strahlung.
  • Das Einkapselungsmaterial weist eine Struktur mit drei Schichten auf. Eine mittlere Schicht besteht aus Metallocen-Polyethylen und ist zwischen zwei äußeren Schichten eines Ionomers angeordnet. Die Schicht aus Metallocen-Polyethylen kann Copolymere von Ethylen mit Buten, Hexen oder Okten enthalten. Die Ionomerschichten können abgeleitet sein von irgendeinem unmodifizierten oder gepfropften Ethylencopolymer eines Alpha-Olefins, das die Formel R-CH=CH2 hat, in der R ein Rest ist, der ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Wasserstoff und Alkylresten mit 1 bis 8 Kohlenstoffatomen und alpha,beta-ethylenisch ungesättigten Carbonsäuren mit 3 bis 8 Kohlenstoffatomen.
  • In einer Ausführungsform ist das Additivpaket zur Stabilisierung gegen UV-Licht in einem erfindungsgemäßen Einkapselungsmittel enthalten, das eine Solarzelle innerhalb eines Moduls umgibt. Das Solarzellenmodul enthält mindestens eine Solarzelle und ein durchsichtiges Einkapselungsmaterial, das angrenzend an mindestens eine Oberfläche der Solarzelle angeordnet ist. Das Einkapselungsmaterial enthält mindestens ein Polyethylencopolymer und das Additivpaket zur Stabilisierung gegen ultraviolettes Licht. Eine vordere Trägerschicht aus lichtdurchlässigem Material ist angrenzend an eine vordere Oberfläche des Einkapselungsmaterials angeordnet und eine Rückseitenschicht ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche des Einkapselungsmaterials angeordnet. In einer Ausführungsform enthält das Einkapselungsmaterial ein erstes Einkapselungsmaterial, das angrenzend an eine vordere Oberfläche der Solarzelle angeordnet ist und eine zweite Schicht eines Einkapselungsmittels, die angrenzend an eine rückseitige Oberfläche der Solarzelle angeordnet ist.
  • In einer anderen Ausführungsform ist das Additivpaket zur Stabilisierung gegen ultraviolettes Licht in einem eine Schicht bildenden erfindungsgemäßen Einkapselungsmittel innerhalb eines laminierten durchsichtigen Bauteils eingeschlossen. Das laminierte durchsichtige Bauteil enthält eine vordere Trägerschicht, die Schicht des Einkapselungsmittels und eine hintere Trägerschicht. Alle drei Schichten sind durchsichtig. Die durchsichtige Schicht des Einkapselungsmittels ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche der vorderen Trägerschicht angeordnet. Die Schicht des Einkapselungsmittels enthält ein Polyethylencopolymer und das Additivpaket zur Stabilisierung gegen ultraviolettes Licht. Die hintere Trägerschicht ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche der Schicht des Einkapselungsmittels angeordnet.
  • Die Erfindung stellt auch ein Verfahren zur Herstellung eines Solarzellenmoduls bereit. Dem Verfahren gemäß wird mindestens eine Solarzelle zur Verfügung gestellt, eine durchsichtige Schicht eines erfindungsgemäßen Einkapselungsmittels wird erzeugt und angrenzend an mindestens eine Oberfläche der Solarzelle angeordnet, und die Solarzelle und das Einkapselungsmaterial werden zwischen einer durchsich tigen vorderen Trägerschicht und einer Rückseitenschicht angebracht. Die durchsichtige Schicht des Einkapselungsmittels enthält ein Polyethylencopolymer und das Additivpaket zur Stabilisierung gegen ultraviolettes Licht.
  • In noch einer anderen Ausführungsform stellt die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines laminierten durchsichtigen Bauteils bereit. Zwei aus durchsichtigen Materialien gebildete Trägerschichten werden bereitgestellt, und eine durchsichtige Schicht des erfindungsgemäßen Einkapselungsmittels wird erzeugt und zwischen den Trägerschichten angeordnet, um eine Baugruppe zu bilden. Die Baugruppe wird laminiert. Die durchsichtige Schicht des Einkapselungsmittels enthält ein Polyethylencopolymer und das Additivpaket zur Stabilisierung gegen ultraviolettes Licht.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 ist eine Querschnittsansicht eines Einkapselungsmaterials, welches die Grundlagen der Erfindung verkörpert.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht eines Solarzellenmoduls mit kristallenem Silizium, das mit dem Einkapselungsmaterial der 1 eingekapselt wurde.
  • 3 ist eine Querschnittsansicht eines Solarzellenmoduls, in dem das Einkapselungsmaterial und eine Rückseitenschicht die Solarzellen einkapseln.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht eines Dünnfilm-Solarzellenmoduls mit Kupferindiumdiselenid, das das Einkapselungsmaterial einschließt.
  • 5 ist eine Querschnittsansicht eines Solarzellenmoduls mit amorphem Silizium, das das Einkapselungsmaterial einschließt.
  • 6 ist eine Querschnittsansicht eines Dünnfilm-Solarzellenmoduls mit Cadmiumtellurid, das das Einkapselungsmaterial einschließt.
  • 7 ist eine Querschnittsansicht einer laminierten Glaskonstruktion, die das Einkapselungsmaterial einschließt.
  • Ausführliche Beschreibung
  • 1 ist eine Querschnittsansicht eines durchsichtigen Einkapselungsmaterials 10, welches die Grundlagen der Erfindung verkörpert. In einer Ausführungsform kann das Einkapselungsmaterial 10 in einem Solarzellenmodul benutzt werden, um Solarzellen aus kristallinem Silizium vor Bruch zu schützen, wenn sie sich in einem Modul befinden und während des Gebrauchs mechanischer Beanspruchung ausgesetzt sind. Das Einkapselungsmaterial dient auch dazu, das Modul abzudichten, was für Dünnfilmmodule besonders wichtig ist. In einer anderen Ausführungsform kann das Einkapselungsmaterial 10 zwischen zwei Platten aus Glas oder durchsichtigem Polymer laminiert werden, um eine zusammengesetzte Konstruktion zur Verfügung zu stellen, die nicht zersplittert, wenn sie bricht.
  • Das Einkapselungsmaterial 10 enthält eine innere Schicht 12 und äußere Schichten 14 und 16. Die äußere Schicht 14 ist angrenzend an eine vordere Oberfläche 18 der inneren Schicht angeordnet, und die äußere Schicht 18 ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche 20 der inneren Schicht angeordnet. Die innere Schicht 12 enthält ein hochtransparentes thermoplastisches Material. Die äußeren Schichten 14, 16 bestehen aus durchsichtigem Polymermaterial, das in der Lage ist, unter Hitzeeinwirkung an verschiedene Materialien zu binden, einschließlich Glas, Metalle und andere Polymeren.
  • In einer Ausführungsform kann die innere Schicht 12 aus Metallocen-Polyethylen bestehen und die äußeren Schichten 14, 16 können aus einem Ionomer bestehen. Metallocen-Polyethylen wird hergestellt, indem als Katalysator eine organometallische Komplexverbindung verwendet wird, die als Cyclopentadienylderivat eines Übergangsmetalls oder eines Metallhalogenids erhalten wird. Die Bezeichnung „Ionomer" bezieht sich auf eine allgemeine Klasse von Polymeren, die sowohl kovalente Bindungen als auch Regionen mit ionischer Bindung enthalten. In einer detailliert behandelten Ausführungsform enthält das Ionomer ein Copolymer aus Ethylen und Methacrylsäure oder Acrylsäure, das neutralisiert worden ist durch Zugabe eines Salzes, das ein Kation wie beispielsweise Li+, Na+, K+, Ca++, Zn++, Mg++, Al+++ beisteuert, oder ein Copolymer aus Ethylen und einem Vinylester (d. h. einem Ethylenmethylmethacrylatcopolymer), zu dem durch Verseifung des Esters Kationen wie die oben genannten hinzugefügt worden sind.
  • Durch Zugabe von 14 % Okten als Comonomer zu dem Metallocen-Polyethylen wird eine innere Schicht 12 mit ausgezeichneter optischer Reinheit erhalten. Außerdem hat die innere Schicht 14 verbesserte physikalische Eigenschaften, weil das Verfahren mit dem zur Herstellung des Materials verwendeten Katalysator ein Polymer mit einer engen Molekulargewichtsverteilung erzeugt. Die Polymeren, die mit den üblichen Katalysatoren hergestellt werden, neigen dazu, erhebliche Anteile an Komponenten mit niedrigem Molekulargewicht zu enthalten. Letztere verschlechtern die mechanischen Eigenschaften des gesamten Polymeren im Vergleich zu den An teilen des Polymeren mit höheren Molekulargewichten. Da ein mit einem Metallocenkatalysator hergestelltes Polymer eine engere Molekulargewichtsverteilung und weniger Bestandteile mit niedrigem Molekulargewicht aufweist, zeigt es höhere mechanische Festigkeit und Durchstoßfestigkeit.
  • Obwohl Metallocen-Polyethylen gute optische Eigenschaften aufweist, bindet es adhäsiv (kein kohäsives Bruchbild mit den meisten Materialien). Metallocen-Polyethylen ist wegen seiner engen Molekulargewichtverteilung auch schwer verarbeitbar. Ein thermoplastisches Material mit einer engen Molekulargewichtverteilung hat einen schmalen Schmelzbereich, was die Herstellung einer Folie aus dem Material oder die Laminierung schwierig macht. Die Bereitstellung von äußeren Schichten 14, 16, die aus Ionomer bestehen, löst diese Probleme.
  • In einer Ausführungsform bestehen die äußeren Schichten 14, 16 aus einem Ionomer, das einen hohen Säuregehalt (d. h. mindestens 4 Gew.-% (Gewichtsprozent) freie Säure) aufweist. Der hohe Säuregehalt führt zu starken Bindungen (d. h. kohäsives Bruchbild bei Delaminationsversuchen) und verbessert die optischen Eigenschaften des Ionomers. Die innere Schicht 14 aus Metallocen-Polyethylen enthält Ethylenalpha-Olefin mit 14 % Oktencomonomer. Dieser dreilagige Aufbau zeigt interessante optische Eigenschaften. Wenn dieses Einkapselungsmaterial unter Hitze und Druck laminiert wird, sieht es trüb und hellblau aus. Wenn jedoch die gesamte Lichtdurchlässigkeit des Materials mit einer Integrationskugel gemessen wird, wird gefunden, dass über 90 % des gesamten Lichts das Material durchdringen. Dies liegt an mikro- oder nanokristallinen Bereichen innerhalb der äußeren Ionomerschichten, die das einfallende Licht streuen. Das Ergebnis der Einkapselung einer Solarzelle mit dem erfindungsgemäßen Einkapselungsmittel ist, dass nicht weniger Licht die Zelle erreicht als bei einer mit EVA eingekapselten Solarzelle.
  • Die folgende Tabelle zeigt dieses Resultat. Die Kurzschlussstromdichte (Jsc in mA/cm2), die ein direktes Maß für die die Solarzelle erreichende Lichtmenge ist, wurde gemessen an Solarzellen ohne Laminierung und Solarzellen, die mit dem erfindungsgemäßen Einkapselungsmittel oder mit EVA unter einer Platte aus Glas laminiert waren. Die Resultate zeigen, dass die Transmission mindestens so gut wie bei EVA und vielleicht sogar besser ist.
    Probe Nr. Einkapselungsmittel Jsc – nackte Zelle Jsc – nach Laminierung Δ (%)
    1 EVA 28,23 26,89 –4,7
    2 EVA 28,52 27,20 –4,6
    4 erfindungsgemäß 28,55 27,45 –3,8
    5 erfindungsgemäß 28,46 27,36 –3,9
    6 erfindungsgemäß 27,02 26,20 –3,0
    7 erfindungsgemäß 27,30 26,43 –3,2
  • Das Einkapselungsmaterial 10 kann durch eine beliebige Zahl von Film- oder Foliencoextrusionsprozessen, wie Blasfilmverfahren, modifiziertes Blasfilmverfahren, Kalandrieren und Gießen hergestellt werden. In einer Ausführungsform wird das Einkapselungsmaterial 10 durch Coextrusion der Schicht aus Metallocen-Polyethylen 12 und der Ionomerschichten 14, 16 in einem Blasfilmverfahren hergestellt.
  • Insbesondere umfasst die Schicht aus Metallocen-Polyethylen 12 eine erste und zweite Teilschicht 12a, 12b aus Metallocen-Polyethylen. Die erste Ionomerschicht 14 wird mit der ersten Teilschicht 12a aus Metallocen-Polyethylen coextrudiert und die zweite Ionomerschicht 16 wird mit der zweiten Teilschicht 12b aus Metallocen-Polyethylen coextrudiert.
  • Die erste Schicht 12a aus Metallocen-Polyethylen (zusammen mit der ersten Ionomerschicht 14) wird dann mit der zweiten Schicht 12b aus Metallocen-Polyethylen (zusammen mit der zweiten Ionomerschicht 16) verbunden, um das Einkapselungsmaterial 10 herzustellen. Auf diese Art können eine dickere Schicht des Einkapselungsmittels und der gewünschte 3-lagige Aufbau gebildet werden.
  • Die Ionomerschichten 14, 16 können eine Dicke im Bereich von 0,001-0,004 Zoll (25,4-102 μm) aufweisen, und die Schicht 12 kann jede gewünschte Dicke haben. Für Anwendungen in Solarzellen kann die Schicht 12 eine Dicke von ungefähr 0,015 Zoll (381 μm) haben, so dass die gesamte Dicke des Einkapselungsmaterials 10 ungefähr 0,018 Zoll (457 μm) beträgt. Das Einkapselungsmaterial 10 kann als Folienbahn hergestellt werden, die in Form geeigneter Rollen jeder gewünschten Dicke gelagert werden kann.
  • 2 ist eine Querschnittsansicht eines Solarzellenmoduls 20, in dem das Einkapselungsmaterial 10 miteinander verbundene Solarzellen 22 aus kristallinem Silizium einkapselt. Das Einkapselungsmaterial 10 ist angrenzend an die vorderen 23 und die rückseitigen 24 Oberflächen der miteinander verbundenen Solarzellen 22 angeordnet. Das angrenzend an die rückseitigen Oberflächen 24 der verbundenen Solarzellen 22 angeordnete Einkapselungsmaterial 10 kann pigmentiert sein. Das Einkapselungsmaterial 10 kann mit den verbundenen Solarzellen 22 verbunden sein. Eine vordere Trägerschicht 26 aus lichtdurchlässigem Material deckt die vorderen Oberflächen 23 der eingekapselten verbundenen Solarzellen 22 ab. Die vordere Trägerschicht 26 kann aus Glas oder durchsichtigem Polymer bestehen. Eine Rückseitenschicht 28 wird angrenzend an die rückseitigen Oberflächen 24 der eingekapselten verbundenen Solarzellen 22 angeordnet. Die Rückseitenschicht 28 kann aus (1) einem Polymer wie beispielsweise Tedlar-Laminat, (2) einem thermoplastischen Material, das benutzt werden kann, um Randdichtungen zu erzeugen und so einen Aluminiumrahmen entbehrlich macht, oder (3) einem Stück Glas, das ein Doppelglasmodul bildet, hergestellt werden. In einer detailliert beschriebenen Ausführungsform kann die Rückseitenschicht 28 ein thermoplastisches Polyolefin sein, das eine Mischung von mindestens zwei Ionomeren wie beispielsweise einem Natriumionomer und einem Zinkionomer enthält, mit oder ohne 10-20 Gew.-% (Gewichtsprozent) Glasfasern.
  • 3 ist eine Querschnittsansicht eines Solarzellenmoduls 30, in dem das Einkapselungsmaterial 10 und die Rückseitenschicht 28 gemeinsam die verbundenen Solarzellen 22 einkapseln. Das Einkapselungsmaterial 10 ist angrenzend an die vorderen Oberflächen 23 aber nicht an die rückseitigen Oberflächen der verbundenen Solarzellen 22 angeordnet. Das Einkapselungsmaterial muss nicht angrenzend an die rückseitigen Oberflächen 24 der verbundenen Solarzellen 22 angeordnet sein. Die Rückseitenschicht 28 dient als rückseitiges Einkapselungsmittel und als Oberfläche der Rückseite des Moduls.
  • 4 ist eine Querschnittsansicht eines Solarzellenmoduls 40, das einen dünnen Film aus Kupferindiumdiselenid (CIS) enthält. Eine Schicht 32 aus Zinkoxid (ZnO) wird auf einer vorderen Oberfläche 31 des Kupferindiumdiselenid(CIS)-Films 34 angeordnet und ein rückseitiger Kontakt 36 wird auf einer rückseitigen Oberfläche 33 des Films 34 angeordnet. Das Einkapselungsmaterial 10 wird auf der Schicht 32 aus ZnO angeordnet und die vordere Trägerschicht 26 wird auf dem Einkapselungsmaterial 10 angeordnet. Die Substratschicht 28, die aus Glas, Kunststoff oder Metall hergestellt werden kann, ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche des rückseitigen Kontakts 36 angeordnet. Für die Zwecke dieser Erfindung wird CIS als äquivalent zu der allgemeinen Klasse von I-III-VI2-Verbindungen wie beispielsweise der quinquinären Verbindung Cu(In,Ga)(Se,S)2 betrachtet. Auch die durchsichtige leitfähige Schicht (d. h. die Schicht aus ZnO) wird als das Äquivalent einer Kombination der durchsichtigen leitfähigen Schicht mit einer dünnen Pufferschicht (z. B. einer 500 Å (50 nm) dicken Schicht aus CdS) betrachtet.
  • 5 zeigt eine Querschnittsansicht eines Solarzellenmoduls 50 mit amorphem Silizium, das das Einkapselungsmaterial 10 enthält. Eine Glas enthaltende vordere Trägerschicht 26 wird mit einer dünnen transparenten Schicht 42 aus leitfähigem Oxid (z. B. Zinnoxid (SnO2)) überzogen. Eine Schicht 44 aus amorphem Silizium ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche der Oxidschicht 42 angeordnet und ein rückseitiger Kontakt 46 ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche der Schicht 44 aus amorphem Silizium angeordnet. Das Einkapselungsmaterial 10 ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche des rückseitige Kontakts 46 angeordnet. Die Rückseitenschicht 28, die aus Glas, Kunststoff oder Metall hergestellt werden kann, ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche des Einkapselungsmaterials 10 angeordnet. Eine Glas enthaltende vordere Trägerschicht wird auf der Oxidschicht 42 angeordnet.
  • 6 ist eine Querschnittsansicht eines Dünnfilmmoduls 60 mit Cadmiumtellurid (CdTe). Eine rückseitige Oberfläche der vorderen Trägerschicht 26 wird mit einer dünnen transparenten Schicht 42 aus leitfähigem Oxid überzogen. Eine Schicht 52 aus Cadmiumsulfid (CdS) wird angrenzend an eine rückseitige Oberfläche der Oxidschicht 42 angeordnet, und eine Schicht 54 aus Cadmiumtellurid (CdTe) wird angrenzend an eine rückseitige Oberfläche der Schicht 52 aus CdS angeordnet. Ein rückseitiger Kontakt 42 wird angrenzend an eine rückseitige Oberfläche der Schicht 54 aus CdTe angeordnet. Das Einkapselungsmaterial 10 ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche des rückseitigen Kontakts 42 angeordnet, und eine Rückseitenschicht 28 ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche des Einkapselungsmaterials 10 angeordnet.
  • 7 ist eine Querschnittsansicht eines Bauteils 70 aus Verbundglas oder transparentem Polymer. Eine vordere Trägerschicht 62, die aus transparentem Material besteht, ist angrenzend an eine vordere Oberfläche 11 des Einkapselungsmaterials 10 angeordnet und eine hintere Trägerschicht 64, die auch aus transparentem Material besteht, ist angrenzend an eine rückseitige Oberfläche 13 des Einkapselungsmaterials 10 angeordnet. Das gesamte Bauteil 70 wird dann laminiert, um die Trägerschichten 62, 64 mit dem Einkapselungsmaterial 10 einzukapseln.
  • Die Erfindung stellt auch ein Einkapselungsmaterial zur Verfügung, in dem das Additivpaket zur Stabilisierung gegen ultraviolettes Licht Abbau verhindert. Photooxidation (durch UV-Licht verursachte Oxidation) und Thermooxidation (durch Hitze verursachte Oxidation) sind zwei Mechanismen, die Abbau verursachen. Dadurch, dass es ein Additivpaket zur Stabilisierung enthält, hat das Einkapselungsmaterial die Fähigkeit, über einen ausgedehnten Zeitraum dem Abbau zu widerstehen. Wenn es in Solarzellenmodulen verwendet wird, hat das Einkapselungsmaterial die Fähigkeit, dem Abbau über eine Nutzungsdauer von bis zu dreißig Jahren zu widerstehen. Wenn es in Anwendungen von Verbundglas oder transparenten Polymeren verwendet wird, kann das Einkapselungsmaterial sogar längere Zeiträume überdauern, da das Einkapselungsmittel nur an den Rändern der laminierten Konstruktion mit Sauerstoff oder Wasserdampf in Kontakt kommt. Wenn die Ränder gut abgedichtet werden, ist die Wahrschein lichkeit, dass überhaupt Photooxidation stattfindet, sehr niedrig.
  • Das Additivpaket zur Stabilisierung muss für die Anwendungen geeignet sein, in denen das Einkapselungsmaterial verwendet werden soll und muss den Löslichkeitsgrenzen der zwei Materialien genügen, die als die Metallocen-Polyethylenschicht 12 und die Ionomerschichten 14, 16 des Einkapselungsmaterials 10 eingesetzt werden. Ein Additivpaket zur Stabilisierung muss in beiden Materialien bis zur gewünschten Konzentration löslich sein. Andernfalls würden ein Konzentrationsgradient und Migration auftreten. Metallocen-Polymere haben im Allgemeinen eine niedrigeres Lösungsvermögen als Ionomere, was die Auswahl von Stabilisatoren zu einer nicht trivialen Angelegenheit macht.
  • Es ist gefunden worden, dass das im erfindungsgemäßen Einkapselungsmittel verwendete Additivpaket zur Stabilisierung weder ein Absorptionsmittel für UV-Licht (UVA) noch ein phenolisches Antioxidans (AO) zu enthalten braucht. Da sowohl bei Anwendungen in Solarzellenmodulen wie auch in Verbundglas das Glas einen erheblichen Teil des im Sonnenlicht enthaltenen UV-Lichts herausfiltert, ist ein Absorptionsmittel für UV-Licht nicht erforderlich. Außerdem sind einige Absorptionsmittel für ultraviolettes Licht dafür bekannt, zu vergilben. Es ist auch gefunden worden, dass das System zur Stabilisierung keinen phenolischen AO zu enthalten braucht, da das Einkapselungsmaterial keine wesentliche Verschlechterung der mechanischen Eigenschaften nach wiederholten Extrusionen zeigt, und phenolische AOs ebenfalls dafür bekannt sind, zu vergilben.
  • Auf Grund der vorangehenden Erwägungen enthält das in der Erfindung eingesetzte Additivpaket zur Stabilisierung gegen ultraviolettes Licht eine Kombination von Lichtschutzmit teln aus sterisch gehinderten Aminen. Ein Lichtschutzmittel aus sterisch gehindertem Amin bewirkt Stabilisierung gegen thermische Oxidation und Photooxidation und das zweite Lichtschutzmittel aus sterisch gehindertem Amin bewirkt hauptsächlich Stabilisierung gegen Photooxidation.
  • In einer Ausführungsform enthält das Additivpaket zur Stabilisierung 0,1-0,25 % sterisch gehindertes Amin, das ein hohes Maß an Schutz gegen thermische Oxidation und Photooxidation bietet, und 0,25-1,0 % eines sterisch gehinderten Amins, das ein hohes Maß an Schutz hauptsächlich gegen Photooxidation bietet. Idealerweise würde bevorzugt ein sterisch gehindertes Amin für beide Aufgaben eingesetzt werden. Jedoch muss ein sterisch gehindertes Amin, das beide Aufgaben erfüllen kann, auch ausreichend löslich sein in dem Metallocen-Polyethylen und dem Ionomer, die in dem Einkapselungsmaterial benutzt werden, was die Suche schwierig macht.
  • Beispiele für Lichtschutzmittel aus sterisch gehindertem Amin, die sowohl Stabilisierung gegen thermische Oxidation als auch Stabilisierung gegen Photooxidation bewirken, sind 1,3,5-Triazin-2,4,6-triamin-N,N'''-[1,2-ethandiyl-bis[[[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. 106990-43-6); ein Polymer aus N,N'-Bis(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl)-1,6-hexandiamin mit 2,4,6-Trichlor-1,3,5-triazin und 2,4,4-Trimethyl-1,2-pentanamin (Chimassorb 944, ACS Reg. Nr. 70624-18-9); und ein Polymer aus N,N'-Bis(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl)-1,6-hexandiamin mit 2,4,6-Trichlor-1,3,5-triazin und Tetrahydro-1,4-oxazin (Cyasorb UV 3346).
  • Beispiele für Lichtschutzmittel aus sterisch gehindertem Amin, die Stabilisierung gegen Photooxidation bewirken, sind ein Polymer aus Bernsteinsäuredimethylester und 4-Hydroxy-2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinethanol (Tinuvin 622, CAS Reg. Nr. 65447-77-0); Bis(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl)sebacat (Tinuvin 770, ACS Reg. Nr. 52829-07-9); Bis(1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidinyl)-[(4-methoxyphenyl)methylen]malonat (CAS Register Nr. 94274-03-0, Sanduvor PR-31); Polymethylpropyl-3-oxy-[4-(2,2,6,6-tetramethyl)piperidinyl]siloxan (Uvasil 299HM); und 3-Dodecyl-1-(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl)-2,5-pyrrolidindion (Cyasorb UV 3604).
  • In einer anderen Ausführungsform können die Lichtschutzmittel aus sterisch gehindertem Amin auf eine Polymerstruktur gepfropft werden. Sanduvor PR-31 stellt eine neue Klasse von Lichtschutzmitteln aus sterisch gehindertem Amin dar, die auf eine Polymerstruktur gepfropft werden können. Wenn ein Lichtschutzmittel aus sterisch gehindertem Amin auf ein Polymer gepfropft wird, verbleibt es an seinem Platz als Stabilisator im Polymer.

Claims (8)

  1. Ein Einkapselungsmaterial (10), das ein Additivpaket zur Stabilisierung gegen ultraviolettes Licht enthält, wobei das Einkapselungsmaterial eine innere Schicht (12), die Metallocen-Polyethylen enthält, und erste und zweite äußere Sekundärschichten (14, 16), die ein Ionomer enthalten, umfasst, wobei besagte erste äußere Schicht (14) angrenzend an eine vordere Oberfläche (18) der inneren Schicht (12) angeordnet ist, und besagte zweite äußere Schicht (16) angrenzend an eine hintere Oberfläche (20) der inneren Schicht (12) angeordnet ist; und wobei besagtes Additivpaket zur Stabilisierung gegen ultraviolettes Licht enthält: ein erstes Lichtschutzmittel aus sterisch gehindertem Amin, das Stabilisierung gegen thermische Oxidation und Photooxidation bewirkt, wobei das erste Lichtschutzmittel aus sterisch gehindertem Amin im Einkapselungsmaterial löslich ist und ausgewählt ist aus 1,3,5-Triazin-2,4,6-triamin-N,N'''-[1,2-ethandiyl-bis[[[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)-; einem Polymer aus N,N'-Bis(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl)-1,6-hexandiamin, 2,4,6-Trichlor-1,3,5-triazin und 2,4,4-Trimethyl-1,2-pentanamin; und einem Polymer aus N,N'-Bis(2,2,6,6-tetramethyl-4-piperidinyl)-1,6-hexandiamin, 2,4,6-Trichlor-1,3,5-triazin und Tetrahydro-1,4-oxazin; und ein zweites Lichtschutzmittel aus sterisch gehindertem Amin, das Stabilisierung gegen Photooxidation bewirkt, wobei das zweite Lichtschutzmittel aus sterisch gehindertem Amin im Einkapselungsmaterial löslich ist und ausgewählt ist aus einem Polymer aus Bernsteinsäuredimethylester und 4-Hydroxy-2,2,6,6-tetramethyl-1-piperidinethanol; und Bis(1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidinyl)-[(4-methoxyphenyl)methylen]malonat.
  2. Das Einkapselungsmaterial gemäß Anspruch 1, bei dem das erste Lichtschutzmittel aus sterisch gehindertem Amin 0,1-0,25% des Einkapselungsmaterials ausmacht.
  3. Das Einkapselungsmaterial gemäß Anspruch 1 oder 2, bei dem das zweite Lichtschutzmittel aus sterisch gehindertem Amin 0,25-1,0% des Einkapselungsmaterials ausmacht.
  4. Das Einkapselungsmaterial gemäß Anspruch 1, bei dem das zweite Lichtschutzmittel aus sterisch gehindertem Amin Bis(1,2,2,6,6-pentamethyl-4-piperidinyl)-[(4-methoxyphenyl)-methylen]malonat enthält und die Fähigkeit besitzt, auf ein polymeres Einkapselungsmaterial aufgepfropft zu werden.
  5. Das Einkapselungsmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Ionomer ein Copolymer von Ethylen und Acrylsäure enthält, das durch die Zugabe eines Salzes, das ein Kation beisteuert, neutralisiert wurde.
  6. Das Einkapselungsmaterial gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Ionomer ein Copolymer von Ethylen und einen Vinylester enthält, in dem der Ester durch ein Kation verseift ist.
  7. Das Einkapselungsmaterial gemäß Anspruch 6, bei dem das Copolymer ein Copolymer von Ethylen und Methylmethacrylat enthält.
  8. Verwendung des Einkapselungsmaterials gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Solarzellenmodul oder in laminiertem Glas.
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