EP2483936A2 - Herstellung von solarmodulen - Google Patents

Herstellung von solarmodulen

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Publication number
EP2483936A2
EP2483936A2 EP10763172A EP10763172A EP2483936A2 EP 2483936 A2 EP2483936 A2 EP 2483936A2 EP 10763172 A EP10763172 A EP 10763172A EP 10763172 A EP10763172 A EP 10763172A EP 2483936 A2 EP2483936 A2 EP 2483936A2
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
layer
solar
solar module
sandwich element
composite
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP10763172A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Hubert Ehbing
Gunther Stollwerck
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Bayer Intellectual Property GmbH
Original Assignee
Bayer MaterialScience AG
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Filing date
Publication date
Application filed by Bayer MaterialScience AG filed Critical Bayer MaterialScience AG
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Withdrawn legal-status Critical Current

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    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
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    • H01L31/048—Encapsulation of modules
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    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the present invention relates to a method for the production of solar modules, in which air pockets are avoided.
  • Solar modules are components for direct generation of electricity from sunlight. Key factors for a cost-efficient generation of solar power are the efficiency of the solar cells used, as well as the manufacturing costs and the durability of the solar modules.
  • a solar module usually consists of a framed composite of glass, interconnected solar cells, an embedding material and a backside construction.
  • the individual layers of the solar module have to fulfill the following functions.
  • the front glass protects against mechanical and weather influences. It must have the highest transparency in order to minimize absorption losses in the optical spectral range of 300 nm to 1150 nm and thus efficiency losses of the silicon solar cells usually used for power generation. Normally, hardened, low-iron white glass (3 or 4 mm thick) is used whose transmittance in the above spectral range is 90 to 92%. Furthermore, the glass provides a significant contribution to the rigidity of the module.
  • the embedding material (usually EVA (ethyl vinyl acetate) films) serves to bond the entire module assembly. EVA melts during a lamination process at about 150 ° C, flows into the interstices of the soldered solar cells and crosslinked by a thermally initiated chemical reaction. A formation of air bubbles, which lead to reflection losses, is avoided by a lamination under vacuum.
  • EVA ethyl vinyl acetate
  • the back of the module protects the solar cells and the embedding material from moisture and oxygen. In addition, it serves as a mechanical protection against scratching, etc. when mounting the solar modules and as electrical insulation.
  • another glass or a composite foil can be used.
  • PVF polyvinyl fluoride
  • PET polyethylene terephthalate
  • PVF aluminum PVF are used.
  • the encapsulating materials used in the back of the solar module construction must in particular have good barrier properties against water vapor and oxygen. Water vapor or oxygen does not attack the solar cells themselves, but causes corrosion of the metal contacts and chemical degradation of the EVA embedding material. A destroyed solar cell contact leads to a complete failure of the module, since normally all the solar cells are electrically connected in series in a module. Degradation of the EVA is indicated by yellowing of the module, associated with a corresponding reduction in power through light absorption and visual deterioration.
  • solar modules In order to achieve competitive electricity generation costs of solar power despite the relatively high investment costs, solar modules have to achieve long operating times. Today's solar modules are therefore designed for a service life of 20 to 30 years. In addition to high weather stability The temperature requirements of the modules are very demanding, and their temperature during operation can vary cyclically between 80 ° C in full sunlight and temperatures below the freezing point. Accordingly, solar modules will undergo extensive stability testing (N o rm tests na ch I EC 61 2 15 and I EC 61730), which will include weathering tests (UV irradiation, damp heat, temperature cycling) as well as hail impact tests and electrical insulation tests.
  • US Pat. No. 4,830,038 and US Pat. No. 5,008,062 describe the attachment of a plastic frame around the relevant solar module, which is obtained by the RIM process (Reaction Injection Molding).
  • the polymeric material used is an elastomeric polyurethane.
  • Said polyurethane should preferably have an E modulus in a range of 200 to 10,000 psi (corresponding to about 1.4 to 69.0 N / mm 2 ).
  • reinforcing members of, for example, a polymeric material, steel, or aluminum may be incorporated into the frame when formed.
  • fillers can be incorporated into the frame material. These may be, for example, platelet-type fillers such as the mineral wollastonite or needle-like / fibrous fillers such as glass fibers.
  • DE 37 37 183 A1 also describes a method for producing the plastic frame of a solar module, wherein the Shore hardness of the reinforced part of the frame is selected such that a sufficient rigidity of the frame and a thickness are achieved elastic absorption of the solar generator is ensured.
  • the modules described above are erected by means of stand constructions or, for example, mounted on roof structures. You need a certain modulus rigidity, which is adversely affected by a (plastic) frame and the relatively heavy, approx. 3 to 4 mm thick windscreen results. In addition, the front screen already has a certain absorption due to its thickness, which in turn adversely affects the efficiency of the solar module.
  • Foil modules are the embedding of solar cells between two plastic films, if appropriate also between a front-side, translucent film and a flexible metal sheet (aluminum or stainless steel) on the rear side.
  • a metal sheet aluminum or stainless steel
  • "UNIsolar ®” brand laminates consist of thin, thin-film silicon vapor deposited on thin stainless steel sheet sandwiched between two plastic sheets, which must then be adhered to a rigid support structure such as sheet metal roof shells or metal sandwich panels
  • DE 10 2005 032 716 A1 describes a flexible solar module 11 which has to be applied axially on a rigid support structure 11.
  • the disadvantage here is the additional working step, the subsequent bonding with a supporting structure.
  • US 2003/0178056 A1 discloses a solar module which has a first and a second protective layer, wherein the solar cells are sealed between these two layers. Between the second, waterproof layer and the solar cells is an insulating film, which consists of a plastic.
  • the second, waterproof protective layer comprises films, which include a metal foil.
  • the metal foil used here is an aluminum, iron or zinc foil.
  • a weatherproof film for sealing a photovoltaic module is also known from DE 102 31 401 AI.
  • the weatherproof layer is made up of a plurality of polymer layers, wherein here additionally a moisture-proof layer of aluminum, galvanized steel, silicon oxide, titanium oxide or zirconium dioxide is present between the polymer layers.
  • a corresponding photovoltaic module is produced in layered construction.
  • EP 1 302988 A2 describes a photovoltaic module and a method for its production.
  • a special adhesive layer is described, which consists of an aliphatic thermoplastic polyurethane.
  • the solar elements are embedded.
  • the solar module includes a cover plate and a backsheet.
  • One possible manufacturing process here is lamination with the aid of a roll laminator.
  • a laminate of a cover plate or film and an adhesive film is produced in a roll laminator.
  • a composite of cover with adhesive film; Solar strings; Composite of back and adhesive film introduced one above the other.
  • the 3 individual components are joined together. This requires the exact alignment of the 3 components to each other.
  • the solar module has a rear side made of a sandwich element.
  • a sandwich element comprises a core layer and outer layers applied thereto.
  • the Outer layers of fiber-reinforced plastic give the element a high rigidity.
  • the sandwich element has a low weight.
  • the solar module should have as low as possible a basis weight and at the same time be as rigid as possible, so that it does not require only one simple support or fixing structure and it is necessary easy to handle. Furthermore, the solar module should have sufficient composite long-term stability to prevent delamination and / or moisture from entering.
  • the object is achieved by a method according to the invention.
  • the invention therefore provides a method for producing a solar module (10) comprising a sandwich element (6), one or more solar elements (3) embedded in an adhesive layer (2) and a transparent layer (1) facing a light source in operation characterized in that in a first step a first composite (7) comprises a sandwich element (6) comprising at least one core layer (5) and at least one outer layer (4) located on each side of the core layer (5), and an adhesive layer (2b ) will be produced,
  • a second composite (8) is produced, which has the transparent layer (1), an adhesive layer (2a) and at least one solar element (3) and
  • the composites from the first and the second step are connected to one another via the respective adhesive surfaces.
  • a second composite (8) is produced, which is the at least one solar element (3) which is connected via an adhesive layer (2a) with one in operation of the light source facing transparent layer (1), that when bringing together no air is trapped in the final product over the adherends of the two composites.
  • a sandwich element (6) via the adhesive layer (2b) is not flat on a composite (8) of transparent layer (1), Solar element (3) and adhesive layer (2a) is placed.
  • the two adhesive layers (2a) and (2b) may consist of the same or of different materials.
  • the composites (7) and (8) are optionally connected to one another under the influence of temperature and / or optionally under the application of a vacuum.
  • a method according to the invention thus makes it possible to produce a solar module (10) according to FIG. 1, which has a sufficiently high stability due to the sufficiently high bending strength of the sandwich element (6). Due to this sufficiently high rigidity, the solar module (10) is easy to handle and does not bend even after a long time.
  • the composite long-term stability of such a composite is also very good, since the difference between the coefficient of thermal expansion of the sandwich element (6) is very small compared to that of the transparent layer (1) and that of the solar cells. Therefore, mechanical stresses hardly occur and the risk of delamination is very low.
  • the sandwich element (6) furthermore serves to seal the solar module (10) against external influences.
  • a sandwich element (6) comprises at least one core layer (5) and at least one outer layer (4) located on each of the core layer (5).
  • rigid foams preferably polyurethane (PUR) - or polystyrene foams, Balsahölzer, corrugated sheets, spacers (for example, from large-pore open plastic foams), honeycomb structures, for example, metals, impregnated papers or plastics, or from the state of the art (for example, K lein, B., Le ichtba u-construction, Verlag Vieweg, Braunschweig / Wiesbaden, 2000, page 186 ff.) known sandwich core materials are used.
  • moldable, in particular thermoformable rigid foams (eg rigid polyurethane foams) and honeycomb structures which enable a curved or three-dimensional shaping of the solar module (10) to be produced.
  • rigid foams with good insulating properties are furthermore particularly preferred.
  • the element, in particular the core layer (5) also serves for the insulation, in particular the thermal insulation.
  • rigid polyurethane foams of the type Baynat 81IF60B / Desmodur VP are suitable.
  • PU 0758 from Bayer Material Science AG with a bulk density of 30 to 150 kg / m 3 , preferably from 40 to 120 kg / m 3 , particularly preferably from 50 to 100 kg / m 3 (measured according to DIN EN ISO 845).
  • These rigid foams have an off-line of> 10%, preferably> 12%, more preferably> 15% (measured according to DIN EN ISO 845), a Compressive strength> 0.2 MPa, preferably> 0.3% MPa, more preferably> 0.4 MPa (measured in the compression test according to DIN EN 826) and a compressive modulus> 6 MPa, preferably> 8 MPa, more preferably> 10 MPa (measured in compression test according to DIN EN 826).
  • the outer layers (4) are in particular on both sides of the core layer (5) arranged fiber layers, which are impregnated, for example, with a resin, in particular a polyurethane resin.
  • the polyurethane resin used for example, is obtainable by reacting
  • At least one polyol component having an average OH number of 300 to 700 and containing at least one short-chain and one long-chain polyol, the starting polyols having a functionality of 2 to 6,
  • long-chain polyols are preferably suitable polyols having at least two to a maximum of six isocyanate-reactive hydrogen atoms; Polyester polyols and polyether polyols which have OH numbers of from 5 to 100, preferably from 20 to 70, particularly preferably from 28 to 56, are preferably used.
  • Preferred short-chain polyols are those which have OH numbers of 150 to 2000, preferably 250 to 1500, particularly preferably 300 to 1100.
  • pMDI types diphenylmethane diisocyanate series
  • Water is in quantities from 0 to 3.0, preferably 0 to 2.0 parts by weight per 100 parts by weight of polyol formulation (components ii) to vi)) are used.
  • Suitable foam stabilizers are preferably polyether siloxanes, preferably water-soluble components.
  • the stabilizers are usually used in amounts of from 0.01 to 5 parts by weight, based on 100 parts by weight of the polyol formulation (components ii) to vi)).
  • the reaction mixture for the preparation of the polyurethane resin can optionally be added to auxiliaries, release agents and additives, for example surface-active additives, such as. Emulsifiers, flame retardants, nucleating agents, antioxidants, lubricants and mold release agents, dyes, dispersants, blowing agents and pigments.
  • surface-active additives such as. Emulsifiers, flame retardants, nucleating agents, antioxidants, lubricants and mold release agents, dyes, dispersants, blowing agents and pigments.
  • the components are reacted in amounts such that the equivalence ratio of the NCO groups of the polyisocyanates i) to the sum of the isocyanate-reactive hydrogens of components ii) and iii) and optionally iv), v) and vi) 0.8: 1 to 1.4: 1, preferably 0.9: 1 to 1.3: 1.
  • glass fiber mats, glass fiber mats, Glasmaschinewirrlagen, glass fiber fabric, cut or ground glass or mineral fibers, natural fiber mats and knitted fabrics, cut natural fibers, and fiber mats, nonwovens and knitted fabric based on polymer, carbon or Aramid fibers and their mixture can be used.
  • the production of the sandwich elements (6) can be carried out such that initially on both sides of the core layer (5) a fiber layer is applied, which is acted upon by the polyurethane starting components i) to vi).
  • a fiber reinforcing material can also be introduced with the polyurethane raw materials i) to vi) by means of a suitable mixing head technique.
  • the thus prepared blank from the three layers is transferred to a mold and the mold is closed.
  • the reaction of the PU R components bonds the individual layers together.
  • the sandwich element (6) is characterized by a low weight per unit area of 1500 to 4000 g / m 2 and a high flexural strength of 0.5 to 5 ⁇ 10 6 N / mm 2 (based on 10 mm sample width).
  • the sandwich element (6) in comparison to other supporting structures of plastics or metals, such as plastic blends (polycarbonate / acrylonitrile-butadiene-styrene, polyphenylene oxide / polyamide), sheet-molding compound (SMC) or aluminum and steel sheet in comparable Bending stiffness significantly lower basis weights.
  • Such a sandwich element (6) is, as already mentioned, the sealing of the solar module (10) against external influences.
  • the core layer (5) of the sandwich element (6) is endangered even by weathering, especially moisture.
  • a peripheral plastic material (9) is applied to a finished solar module (10).
  • This is preferably made of reinforced, in particular glass fiber reinforced polyurethanes. 4 shows a corresponding module.
  • Reinforced polyurethane in particular the edge-surrounding plastic material (9) is understood as meaning PUR which contains fillers for reinforcement.
  • the fillers are preferably synthetic or natural, in particular mineral fillers. Most preferably, the fillers are selected from the group consisting of: mica, platelet and / or fibrous wollastonite, glass fibers, carbon fibers, aramid fibers or their mixtures. Fibrous wollastonite is preferred among these fillers because it is cheap and readily available.
  • the fillers preferably have a coating, in particular an aminosilane-based coating.
  • a coating in particular an aminosilane-based coating.
  • the interaction between the fillers and the polymer matrix increases. This results in better performance properties as the coating permanently bonds fiber and polyurethane matrix.
  • the fillers are typically dispersed in the polyol formulation.
  • the peripheral plastic material (9) is injected, for example, by the known from the prior art R-RIM process to the finished solar module (10).
  • the finished solar module (10) is placed in a mold and the frame (9) injected around the solar module (10),
  • polyurethanes used according to the invention for the frame (9) are obtainable, for example, by reacting
  • polyether polyol having a number average molecular weight of from 800 g / mol to 25,000 g / mol, preferably from 800 to 14,000 g / mol, particularly preferably from 1000 to 8000 g / mol and having an average functionality of from 2.4 to 8 , particularly preferably from 2.5 to 3.5, and c) optionally further from b) different polyether polyols having a number average molecular weight of from 800 g / mol to 25,000 g / mol, preferably from 800 to 14,000 g / mol, particularly preferably from 1,000 to 8000 g / mol and with average functionalities, from 1.6 to 2.4, preferably from 1.8 to 2.4 and d) optionally polymer polyols having contents of 1 to 50 wt .-% of fillers based on the polymer polyol, and with OH numbers of 10 to 149 and average functionalities of 1.8 to 8, preferably from 1.8 to 3.5, and e) optionally polymer polyo
  • polyurethanes are preferably prepared by the prepolymer method, advantageously in the first step from at least part of the polyether polyol b) or its mixture with polyol component c) and / or d) and at least one di- or polyisocyanate a) an isocyanate group exhibiting Polyadditionsaddukt is produced.
  • massive PUR elastomers can be prepared from such prepolymers containing isocyanate groups by reaction with low molecular weight chain extenders and / or crosslinkers e) and / or the remaining part of the polyol components b) and optionally c) and / or d). If water or other blowing agents or mixtures thereof are used in the second step, microcellular PU elastomers can be prepared.
  • polyether polyols are particularly preferred because of their higher hydrolytic stability.
  • the fastening of the solar module (10) to the respective substrate can take place both via the sandwich element (6) and via the edge-surrounding plastic material (9).
  • the solar module (10) therefore preferably in the sandwich element (6) or the peripheral plastic material (9) already integrated fastening means, recesses and / or holes, via which an attachment can then take place.
  • the sandwich element (6) also preferably receives the electrical connection elements, so that a subsequent attachment of, for example, junction boxes can be omitted.
  • the in the finished solar module (10) in operation of a light source facing transparent layer (1) may consist of the following materials: glass, polycarbonate, polyester, polymethylmethacrylate, polyvinyl chloride, fluorine-containing polymers, epoxies, thermoplastic polyurethanes or any combination of these materials. Furthermore, it is also possible to use transparent polyurethanes based on aliphatic isocyanates.
  • the isocyanates used are HDI (hexamethylene diisocyanate), IPDI (isophorone), isocyanate (saturated methylene diphenyl diisocyanate), and isocyanate diisocyanate.
  • Polyol component used are polyethers and / or polyester polyols and chain extenders, preferably aliphatic systems are used.
  • the transparent layer (1) can be designed as a plate, film or composite film.
  • a transparent protective layer for example in the form of a lacquer or a plasma layer.
  • the transparent layer (1) could be set softer, whereby voltages in the module can be further reduced. Protection against external influences would take over the additional protective layer.
  • the adhesive layer (2) preferably has the following properties: high transparency in the range from 350 nm to 1150 nm, good adhesion to silicon and to the material of the transparent layer and to the sandwich element (6).
  • the adhesive layer (2) is soft to compensate for the stresses caused by the different coefficients of thermal expansion of the transparent layer (1), solar cells and sandwich element (6).
  • the adhesive layer (2) is a transparent plastic layer.
  • she consists for example, EVA, polyethylene or silicone rubber; Preferably, it consists of a thermoplastic polyurethane, which may be colored in the case of the light-remote layer (2).
  • media lines can be pressed with. These lines can be made of plastic or copper, for example. These lines are preferably placed close to the adhesive layer (2) and can be used for cooling the solar module (10) via a heat-removing medium (eg water). By an internal cooling of the solar module (10), the electrical efficiency can be increased.
  • a heat-removing medium eg water
  • the solar modules (10) produced according to the invention generate electricity and at the same time act as an insulating layer, so that they can be used well as a roofing. They are very light and stiff at the same time. By pressing, they can also be converted into three-dimensional structures, so that they can be well adapted to given roof structures.
  • solar modules (10) produced according to the invention are suitable for use as a facade element. Due to their design, they can be well adapted to corresponding surface structures.
  • the film solar laminate thus consists, for example, of a transparent heat-sensitive coating (eg, EVA, TPU, P E, transparent adhesives with adhesion promoters) and solar cells applied thereon.
  • a transparent heat-sensitive coating eg, EVA, TPU, P E, transparent adhesives with adhesion promoters
  • Both parts, sandwich element and film solar laminate are connected for example in a vacuum laminator.
  • the production of the sandwich element is separated from the production of the film solar laminate.
  • the preparation of a preferred polyurethane-based sandwich element can for example, by means of spraying.
  • spray particles can reach the Folienlamiant and pollute the solar module or affect its function.
  • a 125 pm-thick polycarbonate film (Makrofol type ® DE 1-4 from Bayer MaterialScience AG, Leverkusen, Germany) was used as a front layer.
  • As Schmelzkleb Anlagen a 480 pm thick TPU film was used (type Vista ® from Solar Etimex, Rottenacker).
  • the individual components in the order polycarbonate film, TPU film and 4 silicon solar cells combined into a laminate and evacuated in a vacuum laminator (NPC, Tokyo, Japan) at 150 ° C for 6 minutes and then 7 minutes at 1 bar pressure to a film - Pressed solar laminate.
  • NPC vacuum laminator
  • a sandwich element a Baypreg ® sandwich was used.
  • a paper honeycomb of the type Testliner 2 (A-wave, Wackenicke 4.9-5.1 mm from Wabenfarbik, Chemnitz) on both sides with a random fiber mat type M 123 with a weight per unit area of 300 g / m 2 (the company Vetrotex , Herzogenrath).
  • 300 g / m 2 of a reactive polyurethane system were then sprayed on both sides with a high-pressure processing machine on both sides.
  • the structure of paper honeycomb and the sprayed polyurethane random fiber mat was transferred into a pressing tool, in which on the bottom of a previously inserted TPU film (480 pm, type Vista solar ® from Etimex, Rottenacker) was.
  • the mold was tempered to 130 ° C and the assembly was crimped for 90 seconds to a 10mm thick sandwich.
  • the individual components in the construction film-solar laminate and Baypreg ® sandwich were combined and first evacuated in a vacuum laminator (NPC, Tokyo, Japan) at 150 ° C for 6 minutes and then pressed for 7 minutes at 1 bar pressure to a solar module.
  • NPC vacuum laminator
  • Example 2 Analogously to Example 1, for the production of the sandwich element, first a Baynat rigid polyurethane foam board (Baynat 81IF60B / Desmodur VP.PU 0758 system from Bayer MaterialScience AG (10 mm thickness, bulk density 66 kg / m 3 (measured in accordance with DIN EN ISO 845), Openness 15.1% (measured according to DIN EN ISO 4590-86), pressure modulus of elasticity (measured according to DIN EN ISO 826) of 11.58 MPa and a compressive strength of 0.43 MPa (measured according to DIN EN ISO 826) , occupied on both sides with a random fiber mat type m 123 having a basis weight of 300 g / m 2 (manufactured by Vetrotex, Herzogenrath).
  • Baynat rigid polyurethane foam board Bayer MaterialScience AG (10 mm thickness, bulk density 66 kg / m 3 (measured in accordance with DIN EN ISO 845), Openness 15.1% (measured according to DIN EN ISO 4590
  • a reactive polyurethane system having a high-pressure processing machine were then both sides of 300 g / m 2 sprayed. It was a polyurethane system from Bayer MaterialScience AG, Leverkusen consisting of a polypol (Baypreg ® VP. Used 01IF13 PU) and an isocyanate (Desmodur ® VP. 08I PU F01) in a mixing ratio of 100 to 235.7 (code 29).
  • this structure of polyurethane foam board and sprayed with polyurethane random fiber mats was transferred to a press tool in which on the bottom of a previously inserted TPU film (480 pm, type Vistasolar ® from Etimex, Rottenacker) was.
  • the mold was tempered to 130 ° C and the assembly was crimped for 90 seconds to a 10mm thick sandwich.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Solarmodulen, bei welchem Lufteinschlüsse vermieden werden.

Description

Herstellung von Solarmodulen
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von Solarmodulen, bei welchem Lufteinschlüsse vermieden werden.
Unter Solarmodulen versteht man Bauelemente zur direkten Erzeugung von elektrischem Strom aus Sonnenlicht. Schlüsselfaktoren für eine kosteneffiziente Erzeugung von Solarstrom sind der Wirkungsgrad der verwendeten Solarzellen, sowie die Herstellkosten und die Haltbarkeit der Solarmodule.
Ein Solarmodul besteht üblicherweise aus einem gerahmten Verbund aus Glas, verschalteten Solarzellen, einem Einbettmaterial und einer Rückenseitenkonstruktion. Die einzelnen Schichten des Solarmoduls haben folgende Funktionen zu erfüllen.
Das Frontglas dient dem Schutz vor mechanischen und Witterungseinflüssen. Es muss höchste Transparenz aufweisen, um Absorptionsverluste im optischen Spektralbereich von 300 nm bis 1150 nm und damit Wirkungsgradverluste der üblicherweise zur Stromerzeugung eingesetzten Silizium-Solarzellen möglichst gering zu halten. Normalerweise wird gehärtetes, eisenarmes Weißglas (3 oder 4 mm stark) verwendet, dessen Transmissionsgrad im obigen Spektralbereich bei 90 bis 92 % liegt. Ferner liefert das Glas einen signifikanten Beitrag zur Steifigkeit des Moduls.
Das Einbettmaterial (meist EVA (Ethyl-Vinylacetat)-Folien) dient zur Verklebung des gesamten Modulverbundes. EVA schmilzt während eines Laminiervorgangs bei etwa 150 °C, fließt in die Zwischenräume der verlöteten Solarzellen und vernetzt durch eine thermisch initiierte chemische Reaktion. Eine Bildung von Luftblasen, die zu Reflexionsverlusten führen, wird durch eine Laminierung unter Vakuum vermieden.
Die Modulrückseite schützt die Solarzellen und das Einbettmaterial vor Feuchtigkeit und Sauerstoff. Außerdem dient sie als mechanischer Schutz vor Verkratzung etc. beim Montieren der Solarmodule und als elektrische Isolation. Als Rückseitenkonstruktion kann eine weitere Glasscheibe oder eine Verbundfolie eingesetzt werden. Im Wesentlichen werden dabei die Varianten PVF (Polyvinylfluorid)-PET (Polyethylenterephthalat)-PVF oder PVF-Aluminium- PVF eingesetzt.
Die im Solarmodulbau rückseitig eingesetzten Kapselungsmaterialien müssen insbesondere gute Barriereeigenschaften gegen Wasserdampf und Sauerstoff aufweisen. Durch Wasserdampf oder Sauerstoff werden die Solarzellen selbst nicht angegriffen, aber es kommt zu einer Korrosion der Metallkontakte und einer chemischen Degradation des EVA-Einbettmaterials. Ein zerstörter Solarzellenkontakt führt zu einem Komplettausfall des Moduls, da normalerweise al le Solarzellen in einem Mod ul elektrisch seriell verschaltet werden . Eine Degradation des EVA zeigt sich an einer Vergilbung des Moduls, verbunden mit einer entsprechenden Leistungsreduktion durch Lichtabsorption sowie einer visuellen Verschlechterung.
Heute werden etwa 80 % aller Module mit einer der beschriebenen Verbundfolien verkapselt, bei etwa 15 % der Solarmodule wird Glas für Vorder- und Rückseite verwendet. In diesem Falle können als Einbettmaterial anstatt EVA teilweise hochtransparente, allerdings nur langsam (mehrere Stunden) härtende Gießharze eingesetzt werden.
Um trotz der relativ hohen Investitionskosten konkurrenzfähige Stromentstehungskosten von Solarstrom zu erreichen, müssen Solarmodule lange Betriebszeiten erreichen. Heutige Solarmodule sind daher auf eine Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren ausgelegt. Neben hoher Witterungsstabilität werden große Anforderungen an die Temperaturbelastbarkeit der Module gestellt, deren Temperatur im Betrieb zyklisch zwischen 80°C bei voller Sonneneinstrahlung und Temperaturen unterhalb des Gefrierpunks schwanken können. Dementsprechend werden Solarmodule umfangreichen Stabilitätstests u nte rzo g e n ( N o rmtests n a ch I EC 61 2 15 u n d I EC 61730 ) , z u denen Witterungstests (UV-Bestrahlung, Damp Heat, Temperaturwechsel) aber auch Hagelschlagtests und Tests des elektrischen Isolationsvermögens zählen.
Auf die Modulendfertigung entfällt mit 30 % der Gesamtkosten ein relativ hoher Anteil der Gesamtkosten für Photovoltaikmodule. Dieser große Anteil der Modulfertigung ist durch hohe Materialkosten (z. B. Rückseitenmehrschichtfolie) und durch lange Prozesszeiten, dass heißt geringe Produktivität bedingt. Noch immer werden häufig die oben beschriebenen Einzelschichten des Modulverbunds in Handarbeit zusammengestellt und ausgerichtet. Zusätzlich führen das relativ langsame Aufschmelzen des EVA- Schmelzklebers und d ie Lamination des Mod ulverbunds bei ca . 150°C und unter Vakuum zu Zykluszeiten von etwa 20 bis 30 Minuten pro Modul.
Durch die relativ dicke Frontglasscheibe weisen konventionelle Solarmodule zudem ein hohes Gewicht auf, das wiederum stabile und teure Haltekonstruktionen erforderlich macht. Auch ist die Wärmeabfuhr bei heutigen Solarmodulen nur unbefriedigend gelöst. Bei voller Sonnenbestrahlung heizen sich die Module auf bis zu 80°C, was zu einer temperaturbedingten Verschlechterung des Solarzellenwirkungsgrads und damit letztlich zu einer Verteuerung des Solarstroms führt.
Im Stand der Technik werden Solarmodule hauptsächlich mit einem Rahmen aus Aluminium verwendet. Obwohl es sich dabei um ein Leichtmetall handelt, leistet doch dessen Gewicht einen nicht zu vernachlässigenden Beitrag zum Gesamtgewicht. Dies ist gerade bei größeren Modulen ein Nachteil, der aufwändige Halte- und Befestigungskonstruktionen erfordert. Um den Eintritt von Wasser und Sauerstoff zu verhindern, weisen besagte Aluminiumrahmen auf ihrer dem Solarmodul zuweisenden Innenseite eine zusätzliche Dichtung auf. Darüber hinaus kommt nachteilig hinzu, dass Aluminiumrahmen aus Rechteckprofilen hergestellt werden und man daher hinsichtlich ihrer Formgebung stark eingeschränkt ist.
Zur Verringerung des Solarmodulgewichtes, zur Vermeidung eines zusätzlichen Dichtungsmateri a l s u n d z u r E rh ö h u n g d e r Des i g n fre i h e it beschreiben US 4,830,038 und US 5,008,062 die Anbringung eines Kunststoffrahmens um das betreffende Solarmodul, der durch das RIM- Verfahren (Reaction Injection Molding) erhalten wird.
Bevorzugt handelt es sich bei dem verwendeten polymeren Material um ein elastomeres Polyurethan . Das besagte Polyurethan soll bevorzugt einen E- Modul in einem Bereich von 200 bis 10000 p.s.i. (entsprechend ca. 1,4 bis 69,0 N/mm2) besitzen.
Zur Verstärkung des Rahmens werden in diesen beiden Patentschriften verschiedene Möglichkeiten beschrieben. So können Verstärkungsbauteile aus zum Beispiel einem polymeren Material, Stahl oder Aluminium bei der Ausbildung des Rahmens mit in diesen integriert werden. Auch können Füllstoffe mit in das Rahmenmaterial eingebracht werden. Bei diesen kann es sich zum Beispiel um plättchenförmige Füllstoffe wie das Mineral Wollastonit oder nadelartige/faserförmige Füllstoffe wie Glasfasern handeln.
In ähnlicher Weise beschreibt DE 37 37 183 AI ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung des Kunststoffrahmens eines Solarmoduls, wobei die Shore-Härte d es ve rwen dete n M ateri a ls bevo rzu gt so ei ngestellt wird, dass eine ausreichende Steifigkeit des Rahmens und eine elastische Aufnahme des Solargenerators sichergestellt ist. Die zuvor beschriebenen Module werden mit Hilfe von Ständerkonstruktionen aufgestellt oder beispielsweise auf Dachstrukturen angebracht. Sie benötigen dazu eine gewisse Modulsteifigkeit, die sich nachteilig durch einen (Kunststoff- ) Rahmen und die relativ schwere, ca . 3 bis 4 mm dicke Frontscheibe ergibt. Zudem besitzt die Frontscheibe schon aufgrund ihrer Dicke eine gewisse Absorption, was sich wiederum nachteilig auf den Wirkungsgrad des Solarmoduls auswirkt.
Als Folienmodule bezeichnet man die Einbettung von Solarzellen zwischen zwei Kunststofffolien, gegebenenfalls auch zwischen einer vorderseitigen, lichtdurchlässigen Folie und einem biegsamen Blech (Aluminium oder Edelstahl) auf der Rückseite. Beispielsweise bestehen Folienlaminate der Marke „UNIsolar®" aus auf dünnem Edelstahl-Blech aufgedampftem, amorphem Dünnschicht-Silizium, eingebettet zwischen zwei Kunststofffolien. Diese flexiblen Laminate müssen anschließend auf einer steifen Tragstruktur wie beispielsweise Dachscharen aus Blech oder Dachelemente aus Metall-- Sandwichverbunden geklebt werden . DE 10 2005 032 716 AI beschreibt ein flexibles Solarmod u l , d ass n achträg l ich a uf ei ner steifen Tragstru ktu r aufgebracht werden muss. Nachteilig ist hier der zusätzliche Arbeitsschritt, das nachträgliche Verkleben mit einer Tragstruktur.
Aufg ru nd d er u ntersch ied l ichen Wä rmea usdeh n u n gskoeffizienten d es Kunststoffrahmens und des Glases traten in der Vergangenheit immer wieder Delaminationen und ein Eindringen von Feuchtigkeit in den inneren Bereich des Solarmoduls auf, die letztendlich zur Zerstörung des Moduls führten.
Aus US 2003/0178056 AI ist ein Solarmodul bekannt, welches eine erste und eine zweite Schutzschicht aufweist, wobei d ie Solarzellen zwischen diesen beiden Schichten versiegelt sind . Zwischen der zweiten, wasserdichten Schicht und den Solarzellen befindet sich eine isolierende Folie, welche aus einem Kunststoff besteht. Die zweite, wasserfeste Schutzschicht umfasst Folien, welche eine Metallfolie einschließen. Als Metallfolie findet hier eine Aluminium- , Eisen- oder Zinkfolie Verwendung.
Ein wetterfester Film zur Abdichtung eines photovoltaischen Moduls ist außerdem aus DE 102 31 401 AI bekannt. Die wetterfeste Schicht ist aufgebaut aus mehreren Polymerschichten, wobei hier zusätzlich eine feuchtigkeitsdichte Schicht aus Aluminium, galvanisiertem Stahl, Siliziumoxid, Titanoxid oder Zirkoniumdioxid zwischen den Polymerschichten vorhanden ist. Ein entsprechendes photovoltaisches Modul wird in Schichtbauweise hergestellt.
Weiterhin ist aus der EP 1 302988 A2 ein Photovoltaik-Modul und ein Verfahren zu dessen Herstellung beschrieben. Hier ist eine spezielle Klebeschicht beschrieben, welche aus einem aliphatischen thermoplastischen Polyurethan besteht. In diese Schmelzklebeschicht sind die Solarelemente eingelassen. Weiterhin enthält das Solarmodul eine Abdeckplatte sowie eine Rückseitenfolie.
Ein mögliches Herstellungsverfahren ist hier die Lamination mit Hilfe eines Rollenlaminators. Hier wird in einem ersten Schritt ein Laminat aus einer Abdeckplatte oder Folie und einer Klebefolie in einem Rollenlaminator hergestellt. In einem zweiten Schritt werden in einem weiteren Rollenlaminator ein Verbund aus Abdeckung mit Klebefolie; Solarstrings; Verbund aus Rückseite und Klebefolie übereinander eingeführt. In dem Rollenlaminator werden die 3 einzelnen Komponenten miteinander verbunden. Dies erfordert die exakte Ausrichtung der 3 Komponenten zueinander.
Ein Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls mit geringem Gewicht bei gleichzeitig hoher Steifigkeit wird in der noch nicht veröffentlichten PCT- Anmeldung PCT/EP2009/003951 beschrieben. Das Solarmodul weist eine Rückseite aus einem Sandwichelement auf. Ein solches Sandwichelement umfasst eine Kernschicht sowie darauf aufgebracht Außenschichten. Die Außenschichten aus faserverstärktem Kunststoff verleihen dem Element eine hohe Steifigkeit. Durch die Kernschicht aus einer Wabenstruktur weist das Sandwichelement ein geringes Gewicht auf.
In dieser Anmeldung sind mehrere Verfahren zur Herstellung genannt, welche alle einen schichtweisen Aufbau beschreiben. So wird in einem Verfahren zunächst das Sandwichelement vorgelegt. Anschließend werden Klebeschicht, Solarzellen, gegebenenfalls eine weitere Klebeschicht und eine transparente Schicht in Form einer Glasscheibe oder einer Kunststoffschicht flächig aufgebracht. Der gesamte Schichtaufbau wird dann miteinander verpresst. In einem alternativen Verfahren wird zunächst eine transparente Kunststofffolie, welche eine Klebeschicht aufweist, vorgelegt. Anschließend werden die Solarzellen und das Sandwichelement flächig aufgebracht und der gesamte Schichtaufbau miteinander verpresst.
Bei einem solchen schichtweisen Aufbau eines Solarelements kann es insbesondere bei der Herstellung großflächiger Solarelemente zu Lufteinschlüssen zwischen dem Sandwichelement und der transparenten einer Lichtquelle zugewandten Schicht kommen. Durch das Auflegen des Sandwichelementes als abschließende Schicht wird Luft in den Materialverbund eingeschlossen. Da weder die transparente Schicht, welche später in Betrieb einer Lichtquelle zugewandt ist, noch das Sandwichelement luftdurchlässig ist, kann diese Luft weder durch Zusammenpressen des Verbundes unter hohem Druck noch durch Anlegen eines Vakuums hinreichend entfernt werden.
Es ist daher eine Aufgabe der vorl iegenden Erfind u ng , ein Verfah ren zur Herstel lu ng von Solarmod ulen bereitzustel len, welches d ie Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
Das Solarmodul soll ein möglichst geringes Flächengewicht besitzen und gleichzeitig möglichst biegesteif sei n , so d ass kei ne od er n u r ei ne seh r einfache Trag- oder Befestigungsstruktur erforderlich ist und es sich problemlos handhaben lässt. Ferner sollte das Solarmodul eine ausreichende Verbund-Langzeitstabilität ausweisen, die verhindert, dass Delaminationen und/oder Feuchtigkeitseintritt auftreten.
Die Aufgabe wird durch ein erfindungsgemäßes Verfahren gelöst. Gegenstand der Erfindung ist daher ein Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls (10) umfassend ein Sandwichelement (6), ein oder mehrere in eine Klebeschicht (2) eingebettete Solarelemente (3) sowie eine in Betrieb einer Lichtquelle zugewandte transparente Schicht (1), das dadurch gekennzeichnet ist, dass in einem ersten Schritt ein erster Verbund (7) aus einem Sandwichelement (6), umfassend wenigstens eine Kernschicht (5) und wenigstens eine auf jeder Seite der Kernschicht (5) befindlichen Außenschicht (4), und einer Klebeschicht (2b) hergestellt wird,
in einem zweiten Schritt ein zweiter Verbund (8) hergestellt wird, welcher die transparente Schicht (1), eine Klebeschicht (2a) und wenigstens ein Solarelement (3) aufweist und
in einem dritten Schritt die Verbünde aus dem ersten und dem zweiten Schritt über die jeweiligen Klebeflächen miteinander verbunden werden.
Die Erfindung wird in den Fig.1 bis 3 erläutert und nachfolgend konkretisiert.
Durch ein erfindungsgemäßes Verfahren, in welchem, wie in Fig. 2a gezeigt, zunächst getrennt voneinander ein erster Verbund (7) aus einem Sandwichelement (6) und einer auf einer der Außenschichten (4) aufgebrachte Klebeschicht (2b) hergestellt wird und in einem zweiten, davon getrennten Schritt ein zweiter Verbund (8) hergestellt wird, welcher das wenigstens eine Solarelement (3), welches über eine Klebeschicht (2a) mit einer in Betrieb der Lichtquelle zugewandten transparenten Schicht (1) verbunden ist, wird ermöglicht, dass beim Zusammenbringen der beiden Verbünde über die Klebeflächen keine Luft in dem Endprodukt eingeschlossen ist. Dies wird dadurch ermöglicht, dass das Sandwichelement (6) über die Klebeschicht (2b) nicht flächig auf einen Verbund (8) aus transparenter Schicht (1), Solarelement (3) und Klebeschicht (2a) aufgelegt wird. In dem in Fig. 2b dargestellten erfindungsgemäßen Verfahren ist es vielmehr möglich, dass man die beiden getrennt voneinander hergestellten Verbünde (7) und (8) an einem Ende (Kante) zusammenfügt, und dann von diesem Ende her anfangend zum anderen Ende hin die beiden Verbünde (7) und (8) miteinander in Verbindung bringt. Die beiden Klebeschichten (2a) und (2b) können aus den gleichen oder aus verschieden Materialien bestehen. Beim Verbinden der Verbünde (7) und (8) bilden sie im fertigen Solarmodul (10) eine einheitliche Klebeschicht (2).
Es ist darüber hinaus auch möglich, dass die Verbünde (7) und (8) gegebenenfalls unter Temperatureinfluss und/oder gegebenenfalls unter Anlegen eines Vakuums miteinander verbunden werden. Insbesondere ist es möglich, die Verbünde (7) und (8) in einem kontinuierlichen Verfahren miteinander zu verbinden, beispielsweise durch Einsatz eines Rollenlaminators, wie er in EP 1302998 AI beschrieben ist.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren ermöglicht somit die Herstellung eines Solarmoduls (10) gemäß Fig. 1, welches bedingt durch die hinreichend hohe Biegefestigkeit des Sandwichelements (6) eine ausreichend hohe Stabilität aufweist. Durch diese ausreichend hohe Steifigkeit ist das Solarmodul (10) leicht handhabbar und biegt auch nach längerer Zeit nicht durch. Auch die Verbund-Langzeitstabilität eines solchen Verbundes ist sehr gut, da der Unterschied des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Sandwichelements (6) im Vergleich zu dem der transparenten Schicht (1) und dem der Solarzellen sehr gering ist. Mechanische Spannungen treten daher kaum auf und die Gefahr der Delamination ist sehr gering.
Das Sandwichelement (6) dient im erfindungsgemäß hergestellten Solarmodul (10) weiterhin der Abdichtung des Solarmoduls (10) gegen äußere Einflüsse.
Mit einer zusätzlichen Sperrschicht (11), beispielsweise in Form einer Sperrfolie kann diese Abdichtung zusätzlich optimiert werden. Sie wird vorzugsweise bei der Herstel l u ng des Sa ndwichelements (6) d irekt mit aufgebracht und kann sich sowohl auf der der Klebeschicht (2) abgewandten Seite des Sandwichelements (6) (Fig . 3a) als auch zwischen Klebeschicht (2b) und Sandwichelement (6) (Fig . 3b) befinden . Erfindungsgemäß umfasst ein Sandwichelement (6) wenigstens eine Kernschicht (5) sowie wenigstens eine auf jeder der Kernschicht (5) befindlichen Außenschicht (4).
Als Material für die Kernschicht (5) des Sandwichelements (6) können beispielsweise Hartschäume, vorzugsweise Polyurethan (PUR)- oder Polystyrolschäume, Balsahölzer, Wellbleche, Abstandhalter (beispielsweise aus großporigen offenen Kunststoffschäumen), Wabenstrukturen, beispielsweise aus Metallen, getränkten Papieren oder Kunststoffen, oder aus dem Stand der Te c h n i k ( z . B . K l e i n , B . , Le i c h t b a u-Konstruktion, Verlag Vieweg, Braunschweig/Wiesbaden, 2000, Seite 186 ff.) bekannte Sandwichkernmaterialien eingesetzt werden. Besonders bevorzugt sind auch formbare, insbesondere thermoformbare Hartschäume (z. B. PUR- Hartschäume) und Wabenstrukturen, die eine gewölbte oder eine dreidimensionale Formgebung des zu erzeugenden Solarmoduls (10) ermöglichen.
Insbesondere für die Herstellung von Solarmodulen, die als Bedachungsund/oder Fassadenmaterialien gleichzeitig eine Gebäude isolierende Funktion erfüllen sollen, sind weiterhin besonders Hartschäume mit guten Isolationseigenschaften bevorzugt. Das Element, insbesondere die Kernschicht (5) dient auch der Isolierung, insbesondere der thermischen Isolierung.
Beispielsweise eignen sich Polyurethan-Hartschäume vom Typ Baynat 81IF60B/Desmodur VP. PU 0758 der Firma Bayer Material Science AG, mit einer Rohdichte von 30 bis 150 kg/m3, bevorzugt von 40 bis 120 kg/m3, besonders bevorzugt von 50 bis 100 kg/m3 (gemessen nach DIN EN ISO 845). Diese Hartschäume besitzen eine Offenzeiligkeit von > 10%, bevorzugt > 12%, besonders bevorzugt > 15% (gemessen nach DIN EN ISO 845), einer Druckfestigkeit > 0,2 MPa, bevorzugt > 0,3% MPa, besonders bevorzugt > 0,4 MPa (gemessen im Druckversuch nach DIN EN 826) und einem Druck-E-Modul > 6 MPa, bevorzugt > 8 MPa, besonders bevorzugt > 10 MPa (gemessen im Druckversuch nach DIN EN 826).
Die Außenschichten (4) sind insbesondere beidseitig der Kernschicht (5) angeordnete Faserschichten, welche beispielsweise mit einem Harz, insbesondere einem Polyurethanharz getränkt sind.
Das beispielsweise eingesetzte Polyurethanharz ist erhältlich durch Umsetzung von
i) mindestens einem Polyisocyanat,
ii) mindestens einer Polyolkomponente mit einer durchschnittlichen OH-Zahl von 300 bis 700, die mindestens ein kurzkettiges und ein langkettiges Polyol enthält, wobei die Ausgangspolyole eine Funktionalität von 2 bis 6 aufweisen,
iii) Wasser,
iv) Aktivatoren,
v) Stabilisatoren,
vi) gegebenenfalls Hilfs-, Trenn- und/oder Zusatzmitteln.
Als langkettige Polyole eignen sich vorzugsweise Polyole mit mindestens zwei bis höchstens sechs gegenüber Isocyanatgruppen reaktiven H-Atomen; vorzugsweise werden Polyesterpolyole und Polyetherpolyole eingesetzt, die OH-Zahlen von 5 bis 100, bevorzugt 20 bis 70, besonders bevorzugt von 28 bis 56 aufweisen. Als kurzkettige Polyole eignen sich bevorzugt solche, die OH-Zahlen von 150 bis 2000, bevorzugt 250 bis 1500, besonders bevorzugt von 300 bis 1100 aufweisen.
Bevorzugt werden erfindungsgemäß höherkernige Isocyanate der Diphenylmethandiisocyanat-Reihe (pMDI-Typen), deren Prepolymere oder Abmischungen aus diesen Komponenten eingesetzt. Wasser wird in Mengen von 0 bis 3,0, bevorzugt 0 bis 2,0 Gew. -Teile auf 100 Gew. -Teile Polyolfor- mulierung (Komponenten ii) bis vi)) eingesetzt.
Zur Katalyse werden die an sich üblichen Aktivatoren für die Treib- und Vernetzungsreaktion, wie z.B. Amine oder Metallsalze verwendet. Als Schaumstabilisatoren kommen vorzugsweise Polyethersiloxane, bevorzugt wasserlösliche Komponenten, in Frage. Die Stabilisatoren werden üblicherweise in Mengen von 0,01 bis 5 Gew. -Teilen, bezogen auf 100 Gew.- Teile der Polyolformulierung (Komponenten ii) bis vi)) angewandt.
Der Reaktionsmischung zur Herstellung des Polyurethanharzes können gegebenenfalls Hilfs-, Trenn- und Zusatzmittel zugesetzt werden, beispielsweise oberflächenaktive Zusatzstoffe, wie z.B. Emulgatoren, Flammschutzmittel, Keimbildungsmittel, Oxidationsverzögerer, Gleit- und Ent- formungsmittel, Farbstoffe, Dispergiermittel, Treibmittel und Pigmente.
Die Komponenten werden in solchen Mengen zur Umsetzung gebracht, dass das Äquivalenzverhältnis der NCO-Gruppen der Polyisocyanate i) zur Summe der gegenüber Isocyanatgruppen reaktiven Wasserstoffe der Komponenten ii) und iii) sowie gegebenenfalls iv), v) und vi) 0,8:1 bis 1,4:1, vorzugsweise 0,9:1 bis 1,3:1 beträgt.
Als Fasermaterial für die Faserschichten können Glasfasermatten, Glasfaservliese, Glasfaserwirrlagen, Glasfasergewebe, geschnittene oder gemahlene Glas- oder Mineral-Fasern, Naturfasermatten und -gewirke, geschnittene Naturfasern, sowie Fasermatten, -vliese und -gewirke auf Basis von Polymer-, Kohlenstoff- bzw. Aramidfasern sowie deren Mischung eingesetzt werden.
Die Herstellung der Sandwichelemente (6) kann so durchgeführt werden, dass zunächst auf die Kernschicht (5) beidseitig eine Faserschicht aufgebracht wird, die mit den Polyurethanausgangskomponenten i) bis vi) beaufschlagt wird. Alternativ oder zusätzlich kann ein Faser-Verstärkungsstoff auch mit den Polyurethanrohstoffen i) bis vi) durch geeignete Mischkopftechnik eingebracht werden. Der so hergestellte Rohling aus den drei Schichten wird in ein Formwerkzeug überführt, und die Form wird geschlossen. Durch die Reaktion der PU R-Komponenten werden die einzelnen Schichten miteinander verbunden.
Das Sandwichelement (6) zeichnet sich durch ein geringes Flächengewicht von 1500 bis 4000 g/m2 und eine hohe Biegesteifigkeit von 0,5 bis 5 x 106 N/mm2 (bezogen auf 10 mm Probenbreite) aus. Insbesondere besitzt das Sandwichelement (6) im Vergleich zu anderen Tragstrukturen aus Kunststoffen oder Metallen, wie beispielsweise Kunststoffblends (Polycarbonat/Acrylnitril- Butadien-Styrol, Po lyphenylenoxid/ Polyamid), Sheet-Moulding-Compound (SMC) oder Aluminium- und Stahlblech bei vergleichbaren Biegesteifigkeiten wesentlich niedrigere Flächengewichte.
Ein solches Sandwichelement (6) dient, wie bereits erwähnt, der Abdichtung des Solarmoduls (10) gegen äußere Einflüsse. Insbesondere die Kernschicht (5) des Sandwichelements (6) ist jedoch selbst durch Witterungseinflüsse, insbesondere Feuchtigkeit, gefährdet. In einem erfindungsgemäßen Verfahren wird daher auf ein fertiges Solarmodul (10) ein randumlaufendes Kunststoffmaterial (9) aufgebracht. Dieses besteht vorzugsweise aus verstärkten, insbesondere glasfaserverstärkten Polyurethanen. Fig.4 zeigt ein entsprechendes Modul.
Unter verstärktem Polyurethan, insbesondere des randumlaufenden Kunststoffmaterials (9) versteht man PUR, das Füllstoffe zur Verstärkung enthält. Bevorzugt handelt es sich bei den Füllstoffen um synthetische oder natürliche, insbesondere mineralische Füllstoffe. Ganz besonders bevorzugt sind die Füllstoffe aus der folgenden Gruppe ausgewählt: Mica, plättchen- und/oder faserförmiges Wollastonit, Glasfasern, Kohlefasern, Aramidfasern oder deren Gemische. Faserförmiges Wollastonit ist unter diesen Füllstoffen bevorzugt, da es preiswert und gut verfügbar ist.
Bevorzugt weisen die Füllstoffe darüber hinaus eine Beschichtung, insbesondere eine Aminosilan-basierte Beschichtung auf. In diesem Falle verstärkt sich die Wechselwirkung zwischen den Füllstoffen und der Polymermatrix. Dies hat bessere Gebrauchseigenschaften zur Folge, da die Beschichtung dauerhaft Faser und Polyurethan-Matrix koppelt.
Die Füllstoffe werden typischerweise im Polyolansatz dispergiert. Das randumlaufende Kunststoffmaterial (9) wird beispielsweise durch das aus dem Stand der Technik bekannte R-RIM-Verfahren um das fertige Solarmodul (10) gespritzt. Hierzu wird das fertige Solarmodul (10) in ein Formwerkzeug gelegt und der Rahmen (9) um das Solarmodul (10) gespritzt,
Die erfindungsgemäß für den Rahmen (9) eingesetzten Polyurethane sind beispielsweise erhältlich durch Umsetzung von
a) organischen Di- und/oder Polyisocyanaten mit
b) mindestens einem Polyetherpolyol mit einer zahlenmittleren Molekularmasse von 800 g/Mol bis 25 000 g/mol, bevorzugt von 800 bis 14 000 g/Mol, besonders bevorzugt 1000 bis 8000 g/mol und mit einer mittleren Funktionalität von 2,4 bis 8, besonders bevorzugt von 2,5 bis 3,5, und c) gegebenenfalls weiteren von b) verschiedenen Polyetherpolyolen mit einer zahlenmittleren Molekularmasse von 800 g/Mol bis 25 000 g/Mol bevorzugt von 800 bis 14000 g/Mol, besonders bevorzugt 1000 bis 8000 g/mol und mit mittleren Funktionalitäten, von 1,6 bis 2,4, bevorzugt von 1,8 bis 2,4 und d) gegebenenfalls Polymerpolyolen mit Gehalten von 1 bis 50 Gew.-% an Füllstoffen bezogen auf das Polymerpolyol, und mit OH-Zahlen von 10 bis 149 und mittleren Funktionalitäten von 1,8 bis 8, bevorzugt von 1,8 bis 3,5, und e) gegebenenfalls Kettenverlängerern mit mittleren Funktionalitäten von 1,8 bis 2,1, vorzugsweise 2, und mit Molekularmassen von 750 g/mol und kleiner, bevorzugt von 18 g/mol bis 400 g/mol, besonders bevorzugt von 60 g/mol bis 300 g/mol und/oder Vernetzern mit mittleren Funktionalitäten von 3 bis 4, vorzugsweise 3, und mit Molekularmassen bis zu 750 g/Mol, bevorzugt von 18 g/Mol bis 400 g/Mol, besonders bevorzugt von 30 g/Mol bis 300 g/Mol, f) in Gegenwart von Aminkatalysatoren und
g) Metallkatalysatoren und
h) gegebenenfalls Zusatzstoffen, insbesondere Flammschutzmittel .
Bevorzugt werden d iese Polyu retha ne nach dem Prepolymerverfa h ren hergestellt, wobei zweckmäßigerweise im ersten Schritt aus zumindest einem Teil des Polyetherpolyols b) oder dessen Mischung mit Polyolkomponente c) und/oder d) und mindestens einem Di- oder Polyisocyanat a) ein Isocyanatgruppen aufweisendes Polyadditionsaddukt hergestellt wird . Im zweiten Schritt können massive PUR-Elastomere aus derartigen Isocyanatg ru ppen aufweisenden Prepolymeren durch Umsetzung mit niedermolekularen Kettenverlängerern und/oder Vernetzern e) und/oder dem restlichen Teil der Polyolkomponenten b) und gegebenenfalls c) und/oder d) hergestellt werden. Werden im zweiten Schritt Wasser oder andere Treibmittel oder Mischungen daraus mitverwendet, können mikrozellulare PUR-Elastomere hergestellt werden.
Als Ausg angskom ponente a) eig nen sich al iphatische, cycloal iphatische, araliphatische, aromatische und heterocyclische Polyisocyanate, wie sie beispielsweise von W. Siefken in Justus Liebigs Annalen der Chemie, 562, Seiten 75 bis 136, beschrieben werden.
Als Komponente b) sind Polyetherpolyole aufgrund ihrer höheren Hydrolysestabilität besonders bevorzugt.
Sowohl über das Sandwichelement (6) als auch über das randumlaufende Kunststoffmaterial (9) kann die Befestigung des Solarmoduls (10) an den jeweil igen U nterg rund (zum Beispiel Hausdächer oder -wände) erfolgen. Erfindungsgemäß weist das Solarmodul (10) daher vorzugsweise im Sandwichelement (6) oder dem rand umlaufenden Kunststoffmaterial (9) bereits integrierte Befestigungsmittel, Ausnehmungen und/oder Löcher auf, über welche eine Anbringung dann erfolgen kann. Das Sandwichelement (6) erhält ferner bevorzugt die elektrischen Verbindungselemente, sodass eine nachträgliche Anbringung beispielsweise von Anschlussdosen entfallen kann.
Die im fertigen Solarmodul (10) in Betrieb einer Lichtquelle zugewandte transparente Schicht (1) kann aus folgenden Materialien bestehen : Glas, Polycarbonat, Polyester, Polymethylmethacrylat, Polyvinylchlorid, fluorhaltigen Polymeren, Epoxiden, thermoplastischen Polyurethanen oder beliebigen Kombinationen dieser Materialien. Weiterhin können auch transparente Polyurethane auf Basis aliphatischer Isocyanate verwendet werden. Als Isocyanate kommen HDI (Hexamethylendiisocyanat), IPDI ( I s o p h o r o n d i i s o c y a n a t ) u n d / o d e r H 1 2-MDI (gesättigtes Methylendiphenyldiisocyanat) zum Einsatz. Als Polyolkomponente kommen Polyether und/oder Polyesterpolyole zum Einsatz sowie Kettenverlängerer, wobei bevorzugt aliphatische Systeme verwendet werden.
Die transparente Schicht (1) kann als Platte, Folie oder Verbundfolie ausgestaltet sein. Auf die transparente Schicht (1) kann bevorzugt noch eine transparente Schutzschicht aufgebracht werden, beispielsweise in Form eines Lackes oder einer Plasmaschicht. Durch eine derartige Maßnahme könnte die transparente Schicht (1) weicher eingestellt werden, wodurch Spannungen im Modul weiter reduziert werden können. Den Schutz gegenüber äußeren Einflüssen würde die zusätzliche Schutzschicht übernehmen.
Die Klebeschicht (2) weist vorzugsweise folgende Eigenschaften auf: hohe Transparenz im Bereich von 350 nm bis 1150 nm, gute Haftung an Silizium und am Material der transparenten Schicht und am Sandwichelement (6). Die Klebeschicht (2) ist weich, um die Spannungen, die durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von transparenter Schicht (1), Solarzellen und Sandwichelement (6) entstehen, auszugleichen. Die Klebeschicht (2) ist eine transparente Kunststoffschicht. Sie besteht beispielsweise aus EVA, Polyethylen oder Silikongummi; vorzugsweise besteht sie aus einem thermoplastischem Polyurethan, das im Falle der Licht abgewandten Schicht (2) eingefärbt sein kann.
In einer weiteren Ausführungsform können bei der Herstellung des Sandwichelements (6) Medienleitungen mit eingepresst werden. Diese Leitungen können beispielsweise aus Kunststoff oder Kupfer bestehen. Bevorzugt sind diese Leitungen nahe zur Klebeschicht (2) platziert und können über ein Wärme abtransportierendes Medium (z. B. Wasser) zur Kühlung des Solarmoduls (10) verwendet werden. Durch eine innere Kühlung des Solarmoduls (10) kann der elektrische Wirkungsgrad erhöht werden.
Die erfindungsgemäß hergestellten Solarmodule (10) erzeugen Strom und wirken gleichzeitig als Isolationsschicht, so dass sie gut als Dacheindeckung genutzt werden können. Sie sind sehr leicht und gleichzeitig steif. Durch Pressen können sie auch in dreidimensionale Strukturen überführt werden, so dass sie an vorgegebene Dachstrukturen gut angepasst werden können.
Weiterhin eignen sich erfindungsgemäß hergestellte Solarmodule (10) zur Verwendung als Fassadenelement. Durch ihre Bauweise können sie an entsprechende Oberflächenstrukturen gut angepasst werden.
Das Folien-Solarlaminat besteht somit beispielsweise aus einer transparenten Fro ntsch i cht e i n e r Kl e besch i cht ( be i sp ie l swe i se EVA, TPU , P E , m it Haftvermittlern fun ktional isierte transparente Kunststoffe) und dah inter aufgebrachten Solarzellen.
Beide Teile, Sandwichelement und Folien-Solarlaminat werden beispielsweise in einem Vakuum-Laminator verbunden.
Vorteil dieses Verfahrens ist, dass die Herstellung des Sandwichelements von der Herstellung des Folien-Solarlaminats getrennt ist. Die Herstellung eines vorzugsweisen auf Polyurethan basierenden Sandwichelements kann beispielsweise mittels Sprühen erfolgen. Dies hat aber den Nachteil, das Sprühpartikel auf das Folienlamiant gelangen können und diese das Solarmodul verschmutzen oder in seiner Funktion beeinträchtigen.
Durch auch eine räumliche Entkopplung der beiden Prozessschritte wird dies unterbunden. Zudem ergeben sich Produktivitätsvorteile, da das Sandwichelement als vorgefertigtes Halbzeug in den dem Stand der Technik entsprechenden Solarmodul-Fertigungsprozess eingeschleust werden können.
Ausführunqsbeispiele
Beispiel 1
Es wurde ein Solarmodul aus den folgenden Einzelkomponenten gefertigt.
Zur Herstellung eines Folien-Solarlaminates wurde als Frontschicht eine 125 pm dicke Polycarbonat-Folie (Typ Makrofol® DE 1-4 von Bayer MaterialScience AG, Leverkusen) verwendet. Als Schmelzklebschicht diente eine 480 pm dicke TPU-Folien (Typ Vistasolar® der Firma Etimex, Rottenacker). Die Einzelkomponenten in der Reihenfolge Polycarbonatfolie, TPU-Folie und 4 Silizium-Solarzellen zu einem Laminat zusammengelegt und in einem Vakuumlaminator (Firma NPC, Tokyo, Japan) bei 150°C zunächst 6 Minuten evakuiert und anschließend 7 Minuten bei 1 bar Druck zu einem Folien- Solarlaminat verpresst.
Als Sandwichelement wurde ein Baypreg®-Sandwich verwendet. Hierzu wurde zunächst eine Papierwabe vom Typ Testliner 2 (A-Welle, Wabendicke 4,9-5,1 mm der Firma Wabenfarbik, Chemnitz) beidseitig mit einer Wirrfasermatte vom Typ M 123 mit einem Flächengewicht von 300 g/m2 (der Firma Vetrotex, Herzogenrath) belegt. Auf diesen Aufbau wurden anschließend beidseitig 300 g/m2 eines reaktiven Polyurethan-Systems mit einer Hochdruck- Verarbeitungsmaschine gesprüht. Es wurde ein Polyurethan-System der Bayer MaterialScience AG, Leverkusen bestehend aus einem Polyol (Baypreg® VP.PU 01IF13) und einem Isocyanat (Desmodur® VP.PU 08IF01) im Mischungsverhältnis 100 zu 235,7 (Kennzahl 129) verwendet.
Der Aufbau aus Papierwabe und den mit Polyurethan besprühten Wirrfasermatten wurde in ein Presswerkzeug überführt, in dem sich auf der Unterseite eine bereits zuvor eingelegte TPU-Folie (480 pm, Typ Vistasolar® der Firma Etimex, Rottenacker) befand. Das Werkzeug war auf 130°C temperierten und der Aufbau wurde 90 Sekunden zu einem 10 mm dicken Sandwich verpresst.
Die Einzelkomponenten im Aufbau Folien-Solarlaminat und Baypreg®- Sandwich wurden zusammengelegt und in einem Vakuumlaminator (Firma NPC, Tokyo, Japan) bei 150°C zunächst 6 Minuten evakuiert und anschließend 7 Minuten bei 1 bar Druck zu einem Solarmodul verpresst.
Beispiel 2
Analog Beispiel 1 wurde zur Herstellung des Sandwichelements zunächst eine Polyurethan-Hartschaumplatte vom Typ Baynat (System Baynat 81IF60B/Desmodur VP.PU 0758 der Bayer MaterialScience AG (10 mm Dicke, Rohdichte 66 kg/m3 (gemessen nach DIN EN ISO 845), Offenzeiligkeit 15,1% (gemessen nach DIN EN ISO 4590-86), Druck-E-Modul (gemessen nach DIN EN ISO 826) von 11,58 MPa und einer Druckfestigkeit von 0,43 MPa (gemessen nach DIN EN ISO 826), beidseitig mit einer Wirrfasermatte vom Typ M 123 mit einem Flächengewicht von 300 g/m2 (der Firma Vetrotex, Herzogenrath) belegt. Auf diesen Aufbau wurden anschließend beidseitig 300 g/m2 eines reaktiven Polyurethan-Systems mit einer Hochdruck- Verarbeitungsmaschine gesprüht. Es wurde ein Polyurethan-System der Bayer MaterialScience AG, Leverkusen bestehend aus einem Polypol (Baypreg® VP. PU 01IF13) und einem Isocyanat (Desmodur® VP . PU 08I F01 ) i m Mischungsverhältnis 100 zu 235,7 (Kennzahl 29) verwendet.
Auch dieser Aufbau aus Polyurethan-Hartschaumplatte und den mit Polyurethan besprühten Wirrfasermatten wurde in ein Presswerkzeug überführt, in dem sich auf der Unterseite eine bereits zuvor eingelegte TPU- Folie (480 pm, Typ Vistasolar® der Firma Etimex, Rottenacker) befand . Das Werkzeug war auf 130°C temperierten und der Aufbau wurde 90 Sekunden zu einem 10 mm dicken Sandwich verpresst.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Solarmoduls (10) umfassend ein Sandwichelement (6), ein oder mehrere in eine Klebeschicht (2) eingebettete Solarelemente (3) sowie eine in Betrieb einer Lichtquelle zugewandte transparente Schicht (1), dadurch gekennzeichnet, dass
in einem ersten Schritt ein erster Verbund (7) aus einem Sandwichelement (6), umfassend wenigstens eine Kernschicht (5) und wenigstens eine auf jeder Seite der Kernschicht (5) befindlichen Außenschicht (4), und einer Klebeschicht (2b) hergestellt wird,
in einem zweiten Schritt ein zweiter Verbund (8) hergestellt wird, welcher die transparente Schicht (1), eine Klebeschicht (2a) und wenigstens ein Solarelement (3) aufweist und
in einem dritten Schritt die Verbünde aus dem ersten und dem zweiten Schritt über die jeweiligen Klebeflächen miteinander verbunden werden.
2. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbünde im dritten Schritt unter Temperatureinfluss und/oder unter Anlegen eines Vakuums miteinander verbunden werden.
3. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Schritt kontinuierlich durchgeführt wird.
4. Verfahren gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass man das Solarmodul (10) randumlaufend mit einem Kunststoffmaterial (9) versieht.
5. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als transparente Schicht (1) eine Glasscheibe oder eine Kunststoffschicht einsetzt.
6. Verfahren gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass man als Klebeschicht (2) ein thermoplastisches Polyurethan einsetzt.
7. Verfahren gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass man als Sandwichelement (6) einen Verbund aus wenigstens einer Kernschicht (5), umfassend Hartschaum, Basalhölzer, Wellbleche, Abstandhalter oder Wabenstrukturen aus Metallen, getränkten Papieren oder Kunststoffen, und wenigstens einer auf jeder Seite der Kernschicht (5) befindlichen Außenschicht (4) einsetzt.
8. Verfahren gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass man als Außenschicht (4) faserverstärkte Polurethane einsetzt.
9. Verwendung eines Solarmoduls (10), hergestellt nach einem Verfahren gemäß Anspruch 1 als Dach- und/oder Fassadenelement.
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