EP4588108A1 - Polyolefin-basierte rückseitenfolie für photovoltaik-module - Google Patents

Polyolefin-basierte rückseitenfolie für photovoltaik-module

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Publication number
EP4588108A1
EP4588108A1 EP23768183.8A EP23768183A EP4588108A1 EP 4588108 A1 EP4588108 A1 EP 4588108A1 EP 23768183 A EP23768183 A EP 23768183A EP 4588108 A1 EP4588108 A1 EP 4588108A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
backsheet
photovoltaic module
weight
less
layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
EP23768183.8A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Adrien DEMBOWSKI
Christoph Schweitzer
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.)
RKW SE
Original Assignee
RKW SE
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by RKW SE filed Critical RKW SE
Publication of EP4588108A1 publication Critical patent/EP4588108A1/de
Pending legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F19/00—Integrated devices, or assemblies of multiple devices, comprising at least one photovoltaic cell covered by group H10F10/00, e.g. photovoltaic modules
    • H10F19/80—Encapsulations or containers for integrated devices, or assemblies of multiple devices, having photovoltaic cells
    • H10F19/85—Protective back sheets
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10F—INORGANIC SEMICONDUCTOR DEVICES SENSITIVE TO INFRARED RADIATION, LIGHT, ELECTROMAGNETIC RADIATION OF SHORTER WAVELENGTH OR CORPUSCULAR RADIATION
    • H10F77/00—Constructional details of devices covered by this subclass
    • H10F77/40—Optical elements or arrangements
    • H10F77/42—Optical elements or arrangements directly associated or integrated with photovoltaic cells, e.g. light-reflecting means or light-concentrating means
    • H10F77/488—Reflecting light-concentrating means, e.g. parabolic mirrors or concentrators using total internal reflection

Definitions

  • the invention relates to a photovoltaic module with a translucent cover layer, an underlying layer which contains at least one photovoltaically active cell which is embedded in an embedding material, and a backsheet arranged underneath, the backsheet being designed as a polyolefinic film with at least two layers and wherein at least one layer has a black pigment.
  • Photovoltaic modules or solar modules are widely known and are increasingly being used to generate sustainable electricity.
  • the photovoltaic cells convert the sunlight hitting the cells directly into electrical current, which is dissipated via suitable electrical conductors and fed to a network.
  • the backsheet of these modules forms a back cover, the layer containing the photovoltaic cells. It is known to form this backsheet from a fluoropolymer-based plastic film, since fluoropolymers are very temperature-resistant.
  • the backsheet is designed as a laminate consisting of several layers, with the individual layers being connected to one another using suitable laminating adhesives.
  • DE 10 2012 022 450 A1 discloses a photovoltaic module with a plastic-based backsheet without laminating adhesive.
  • the photovoltaic module is designed without a frame and the backsheet is equipped with adhesion-promoting properties at least on its top and bottom sides.
  • At least one fastening element for attaching the photovoltaic module to a substructure is glued to the underside of the backsheet.
  • the backsheet typically ensures electrical insulation of the solar module and protects the photovoltaic module from environmental influences, primarily moisture.
  • Backsheets typically contain multiple layers of different materials, where each material and layer can serve a different purpose. Most commonly, at least one of the materials contains a fluoropolymer. In addition to fluoropolymers, commonly used materials include polyethylene terephthalate (PET) polymers or polyethylene naphthalate (PEN) polymers.
  • PET polyethylene terephthalate
  • PEN polyethylene naphthalate
  • backsheets include layers of polyester and/or polyamides.
  • a disadvantage of many materials according to the prior art is that the individual layers cannot be combined into a multi-layer backsheet in one process step, but must then be glued together separately. This can lead to damage to the entire photovoltaic module, particularly with regard to the long-term stability of the comparatively unstable interlayer connection.
  • EP 2 390 093 B1 describes a multilayer back film for solar modules, with an optional cover layer, an insulating layer, and a back layer, the cover layer, the insulating layer and the back layer containing a polyolefin as the main component, the polyolefin being made of polyethene homopolymers and copolymers wherein the polyethene copolymers contain greater than 50 mole percent ethene-derived units and contain alpha-olefin comonomers, and wherein the layers are coextruded and wherein the backsheet contains no layers between the layers. Polyolefin-based films can be recycled and from this point of view are more ecological than the well-known backsheets.
  • the backsheets of photovoltaic modules used today are black.
  • carbon black is usually added to the masterbatch before extrusion.
  • soot has the disadvantage that the infrared radiation used to separate or sort the plastic streams in recycling is not reflected and therefore the plastic material cannot be fed into the appropriate type.
  • a polyolefinic backsheet cannot therefore be separated according to type and therefore cannot be recycled.
  • the object of the present invention is to provide a photovoltaic module with a backsheet that meets the requirements of the Plastic Pact 2025 and is fully recyclable.
  • the backsheet should be in the well-known sorting systems can be detected and separated.
  • the backsheet should provide the best possible support for the performance of the photovoltaic module.
  • the backsheet is intended to protect the photovoltaic module from environmental influences and ensure its use for as long as possible.
  • the backsheet should also be harmless to health and ecologically sustainable.
  • the backsheet has a reflection of the electromagnetic radiation in the range 800 to 1700 nm of more than 30%, preferably more than 40%, in particular more than 50%.
  • Reflection refers to the throwing back of waves at an interface where the wave resistance or refractive index of the propagation medium changes.
  • the angle of reflection corresponds exactly to the angle of incidence and both angles lie in the same plane with the plumb line.
  • the black, transmitting layer and the white reflecting layer are arranged one above the other, with the black layer being arranged facing the photovoltaic cells. Impinging electromagnetic radiation transmits through the black layer and is reflected by the white layer. The reflected electromagnetic radiation transmits through the black layer of the backsheet and enters the photovoltaic cells, whereby the performance of the photovoltaic module can be increased favorably.
  • the thickness of the film was measured according to DIN 53370 and given as the average value.
  • the backsheet has a thickness of less than 250 pm, preferably less than 210 pm, in particular less than 180 pm on and/or more than 100 pm, preferably more than 130 pm, in particular more than 160 pm.
  • the backsheet has a water vapor permeability rate of less than 20 g/(m 2 ⁇ d), preferably less than 2 g/(m 2 ⁇ d), in particular less than 1 g/(m 2 ⁇ d) according to DIN 53122- 1 and is therefore ideally suited as a rear wall for photovoltaic modules.
  • Films and panels with a thickness of up to 1 mm are tested using strip or shoulder samples.
  • the usual sample form is the strip. This sample shape can be easily produced using a cutting press or a film cutting device. Shoulder samples are often used in quality control. In this case, a directly measuring extensometer is required with which the sample strains can be recorded directly on the sample. Typical test results such as the yield stress, the yield elongation, the maximum stress and the nominal elongation at break are recorded.
  • the tensile properties are determined in accordance with DIN EN ISO 527.
  • DIN EN ISO 527 In the tensile test, a test strip of a backsheet film is stretched at a constant speed specified in the test standard and the force F is recorded with the change in length AL of the measuring section Lo.
  • the backsheet has a tensile strength in the machine direction according to DIN EN ISO 527-3 of more than 500 MPa, preferably more than 650 MPa, in particular more than 750 MPa. This makes the backsheet film particularly stiff and tough, which means that the necessary tension can be achieved as a backsheet in a photovoltaic module.
  • Shrinkage or the shrinkage of plastics is a change in the dimensional stability of test specimens at temperatures T > TG (amorphous) or T > Ts (partially crystalline), which is caused by the resetting of molecular orientations and the relaxation of internal stresses.
  • the orientations arise as a result of the processing process (extrusion, injection molding or Deep drawing) and are therefore dependent on processing parameters. These parameters are the temperature of the tool and the melt, the injection and holding pressure, the flow path length and the cooling gradient of the backsheet film.
  • the backsheet has a shrinkage according to DIN 55543-4 of less than 10%, preferably less than 2%, in particular less than 1%. This makes the backsheet ideally suited to withstand the enormous temperature fluctuations between sunlight in the middle of the day and cool night temperatures, without showing any expansion or shrinkage.
  • the backsheet can have an adhesion promoter layer. This makes it possible, for example, to achieve a permanent bond with the embedding material that remains stable even over years of outdoor use of a photovoltaic module.
  • Dielectric breakdown voltage is determined according to ASTM D149. The tests are carried out at 60 Hz. There are three basic methods that can be used to determine the dielectric strength of an insulator. These methods are the short-term method, the slow rise method and the step method. Each of these three methods has the same basic structure, which consists of placing the test specimen in air or oil between two electrodes.
  • the short-term method a voltage is applied across the two electrodes and increased at a uniform rate from zero to dielectric breakdown.
  • a breakdown occurs when an electrical burnout punctures the sample or decomposition occurs in the sample.
  • the rate of voltage rise is determined by the time required for the sample to achieve dielectric breakdown.
  • the slow rise method starts at 50% of the breakdown voltage determined by the short-term method and is increased uniformly.
  • the backsheet has a dielectric breakdown voltage of at least 20 kV and can therefore form a safe back wall for a photovoltaic module.
  • the backsheet can have a coating that provides additional protection against the penetration of moisture or other weather influences.
  • the photovoltaic module is designed to be frameless. This can be achieved particularly well if the backsheet is designed to promote adhesion. This means that the mass of the photovoltaic module can be significantly reduced and the photovoltaic module can also be mounted flexibly on a wide variety of surfaces.
  • a recyclable backsheet is used as a backing film in a photovoltaic module.
  • Fig. 1 is a schematic representation of the backsheet according to the invention.
  • the backsheet 1 has three layers 2, 3, 4. Layers 2 and 4 are approximately the same thickness, while layer 3 is twice as thick. Layers 3 and 4 are white and contain a proportion of 10% by weight of TiC>2. Layer 2 is black, arranged facing the electrically active cell and has a proportion of 6% by weight of masterbatch from Asili with the number PE 94000817.
  • the backsheet 1 is made of Repsol Inspire 137 polypropylene, is free of soot and reflects 60% of electromagnetic radiation with a wavelength in the range from 800 to 1700 nm.
  • the backsheet 1 has a coating 5 on the layer 4, which faces the weathered environment, which protects the backsheet from the effects of the weather.

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  • Photovoltaic Devices (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Photovoltaikmodul mit einer lichtdurchlässigen Abdecklage, einer darunter befindlichen Lage, die mindestens eine photovoltaisch wirksame Zelle enthält, welche in ein Einbettungsmaterial eingebettet ist, und einem darunter angeordneten Backsheet (1). Das Backsheet (1) ist als polyolefinische Folie mit mindestens zwei Schichten (2, 3, 4) ausgebildet. Zumindest eine Schicht (2) weist ein schwarzes Pigment auf. Das Backsheet (1) weist eine Reflektion der elektromagnetischen Strahlung im Bereich 800 bis 1700 nm von mehr als 30 %, vorzugsweise von mehr als 40 %, insbesondere von mehr als 50 % auf.

Description

POLYOLEFIN-BASIERTE RÜCKSEITENFOLIE FÜR PHOTOVOLTAIK-MODULE
Beschreibung
Die Erfindung betrifft ein Photovoltaikmodul mit einer lichtdurchlässigen Abdecklage, einer darunter befindlichen Lage, die mindestens eine photovoltaisch wirksame Zelle enthält, welche in ein Einbettungsmaterial eingebettet ist, und einem darunter angeordneten Backsheet, wobei das Backsheet als polyolefinische Folie mit mindestens zwei Schichten ausgebildet ist und wobei zumindest eine Schicht ein schwarzes Pigment aufweist.
Photovoltaikmodule oder Solarmodule sind weithin bekannt und werden zunehmend zur nachhaltigen Stromerzeugung eingesetzt. Durch die photovoltaisch wirksamen Zellen wird das auf die Zellen auftreffende Sonnenlicht direkt in elektrischen Strom umgewandelt, der über geeignete elektrische Leiter abgeführt und einem Netz zugeführt wird.
Die Abdecklage kann beispielsweise aus Glas mit einer Stärke von 4 - 5 mm oder aus einem polymeren Frontsheet gebildet werden. Das Einbettungsmaterial basiert in der Regel auf Ethylen-Vinyl-Acetat, das als Folie bzw. Streifen an und um die elektrisch wirksamen Zellen gelegt und mittels Temperatur vernetzt wird.
Das Backsheet dieser Module bildet eine Rückabdeckung, der die photovoltaisch wirksamen Zellen enthaltenden Schicht. Es ist bekannt, dieses Backsheet aus einer Kunststofffolie auf Fluorpolymer-Basis auszubilden, da Fluorpolymere sehr temperaturbeständig sind. Hierbei ist das Backsheet als aus mehreren Schichten bestehendes Laminat ausgebildet, wobei die einzelnen Schichten über geeignete Kaschierkleber miteinander verbunden sind.
Solche als Mehrschichtlaminat ausgebildeten Backsheets haben jedoch den Nachteil, dass die Verbindungsbereiche der einzelnen Schichten Schwachstellen darstellen, da sich die Schichten bei längerem Gebrauch voneinander lösen können. Die DE 10 2012 022 450 A1 offenbart ein Photovoltaikmodul mit einem kaschierkleberfreien Backsheet auf Kunststoffbasis. Das Photovoltaikmodul ist rahmenfrei ausgebildet und das Backsheet ist zumindest auf seiner Ober- und Unterseite haftvermittelnd ausgerüstet. An die Unterseite des Backsheets ist mindestens ein Befestigungselement zur Befestigung des Photovoltaikmoduls an einer Unterkonstruktion geklebt.
Das Backsheet sorgt typischerweise für eine elektrische Isolation des Solarmoduls und schützt das Photovoltaikmodul vor Einflüssen aus der Umgebung, überwiegend durch Feuchtigkeit. Backsheets enthalten typischerweise mehrere Schichten aus unterschiedlichen Materialien, wobei jedes Material und jede Schicht einem anderen Zweck dienen kann. Am häufigsten enthält mindestens eines der Materialien ein Fluorpolymer. Neben Fluorpolymeren gehören zu den häufig verwendeten Materialien Polyethylenterephthalat (PET)-Polymere oder Polyethylennaphthalat (PEN)- Polymere.
Dieser Aufbau stellt wegen der Inhaltsstoffe einen wirtschaftlichen und ökologischen Nachteil dar, weil diese Stoffe vergleichsweise teuer und umweltunverträglich sind. In vielen Fällen müssen Verbindungsschichten oder andere zusätzliche Bestandteile bereitgestellt werden, um einen ausreichenden Zusammenhalt der einzelnen Schichten zu erreichen, um sich untereinander und mit den Vergussschichten des Solarmoduls zu verbinden.
Andere Backsheets umfassen Schichten aus Polyester und/oder Polyamiden. Ein Nachteil vieler Materialien nach dem Stand der Technik besteht darin, dass die einzelnen Schichten nicht in einem Verfahrensschritt zu einem mehrschichtigen Backsheet kombiniert werden können, sondern müssen anschließend separat miteinander verklebt werden. Insbesondere im Hinblick auf die Langzeitstabilität der vergleichsweise instabilen Zwischenschichtverbindung kann dies zu Schäden des gesamten Photovoltaikmoduls führen. Die EP 2 390 093 B1 beschreibt eine mehrschichtige Rückseitenfolie für Solarmodule, mit einer fakultativen Deckschicht, einer Isolierschicht, und einer Rückschicht, wobei die Deckschicht, die Isolierschicht und die Rückschicht als Hauptkomponente ein Polyolefin enthalten, wobei das Polyolefin aus Polyethen- Homopolymeren und -Copolymeren ausgewählt ist, wobei die Polyethen- Copolymeremehr als 50 Mol-% von Ethen abgeleitete Einheiten enthalten und alpha-Olefin-Comonomere enthalten, und wobei die Schichten coextrudiert sind und wobei die Rückseitenfolie keine Schichten zwischen den Schichten enthält. Folien auf polyolefinischer Basis können recycelt werden und sind aus diesem Gesichtspunkt ökologischer als die bekannten Backsheets.
Viele europäische Länder haben den Europäischen Plastikpakt unterzeichnet. Laut diesem Pakt müssen bis 2025 alle Verpackungs- und Kunststoffkonstruktionen so gestaltet sein, dass sie wiederverwendbar oder recycelbar sind. Der Fokus wird deswegen auch auf ein nachhaltigeres Produktdesign, wie z. B. die Konstruktion von mehr Monomaterialien, eine bessere Trennung an der Quelle und weitere technische Entwicklungen rund um das automatische Sortieren und Entfärben gelegt werden.
Nach dem Stand der Technik werden die heute eingesetzten Backsheets von Photovoltaikmodulen schwarz ausgebildet. Zur Erzeugung schwarzer Backsheets wird meist Ruß in den Masterbatch vor der Extrusion hinzugefügt. Ruß hat jedoch den Nachteil, dass die zum Trennen bzw. Sortieren der Kunststoffströme im Recycling eingesetzte Infrarotstrahlung nicht reflektiert wird und somit das Kunststoffmaterial nicht der entsprechenden Sorte zugeführt werden kann. Ein polyolefinisches Backsheet kann somit nicht sortenrein getrennt und demnach auch nicht recycelt werden.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Photovoltaikmodul mit einem Backsheet bereitzustellen, das den Anforderungen des Plastikpakts 2025 genügt und voll recycelbar ist. Das Backsheet soll in den bekannten Sortieranlagen detektiert und getrennt werden können. Zudem soll das Backsheet die Leistung des Photovoltaikmoduls bestmöglich unterstützen. Das Backsheet soll das Photovoltaikmodul von Umwelteinflüssen schützen und dessen Nutzung so lange als möglich sicherstellen. Das Backsheet soll darüber hinaus gesundheitlich unbedenklich und ökologisch nachhaltig sein.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Photovoltaikmodul gemäß dem Hauptanspruch sowie einem Verfahren und eine Verwendung gemäß den nebengeordneten Hauptansprüchen gewährleistet. Bevorzugte Varianten sind den Unteransprüchen, der Beschreibung, dem Ausführungsbeispiel und der Zeichnung zu entnehmen.
Erfindungsgemäß weist das Backsheet eine Reflexion der elektromagnetischen Strahlung im Bereich 800 bis 1700 nm von mehr als 30 %, vorzugsweise von mehr als 40 %, insbesondere von mehr als 50 % auf.
Die Reflexion bezeichnet das Zurückwerfen von Wellen an einer Grenzfläche, an der sich der Wellenwiderstand oder der Brechungsindex des Ausbreitungsmediums ändert. Dabei entspricht der Ausfallswinkel genau dem Einfallswinkel und beide Winkel liegen mit dem Lot in einer Ebene.
Als nahes Infrarot oder Nahinfrarot (NIR) wird der Bereich des elektromagnetischen Spektrums bezeichnet, der sich in Richtung größerer Wellenlänge an das sichtbare Licht anschließt. Dieser Bereich des Infrarotlichts erstreckt sich von 780 bis 3000 nm und umfasst somit die Spektralbereiche IR-A und IR-B. Der für die Detektion von Polymermaterial in Sortieranlagen des Recyclings genutzte Bereich des Infrarotspektrums liegt im Bereich von 800 bis 1700 nm.
Idealerweise umfasst mindestens eine Schicht des Backsheet ein schwarzes Pigment und ist frei von dem üblicherweise eingesetzten Ruß. Trotzdem ist diese Schicht mit einem hohen Schwarzheitsgrad ausgebildet und kann Infrarotlicht reflektieren. Dies steigert den Wirkungsgrad des Photovoltaikmoduls und ermöglicht die Sortierung des polyolefinischen Backsheets in modernen Recyclinganlagen.
Bei einem vielschichtigen Backsheet können auch zwei oder drei oder mehrere Schichten ein schwarzes Pigment umfassen.
Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung kann das schwarze Pigment als ein organisches Pigment ausgeführt sein.
Vorteilhafterweise kann das organische Pigment als ein Pigment bzw. eine Pigmentmischung aus der Gruppe der Perylene ausgeführt sein. Perylen ist eine chemische Verbindung aus der Stoffklasse der polycyclischen aromatischen Kohlenwasserstoffe. Es ist ein Feststoff, der gelbe glänzende Plättchen bildet. Substituierte Perylene sind farbstark und beständig gegen Wärme und in der Regel gegen Chemikalien, wodurch sie besonders geeignet sind für den Einsatz in bewitterten Photovoltaikmodulen.
Idealerweise kann das schwarze Pigment, vorzugsweise das schwarze organische Pigment, in Form eines Masterbatches vorliegen und zusammen mit dem polyolefinischen Ausgangsmaterial, insbesondere dem Polypropylen, vermischt, aufgeschmolzen und zu einer Folie extrudiert werden.
Bei einer günstigen Variante der Erfindung weist die schwarze Schicht einen Anteil an einem Masterbatch mit schwarzem Pigment von mehr als 2 Gew.-%, vorzugsweise von mehr als 4 Gew.-%, insbesondere von mehr als 5 Gew.-% auf und/oder von weniger als 16 Gew.-%, vorzugsweise von weniger als 12 Gew.-%, insbesondere von weniger als 8 Gew.-% auf. Dabei genügt bereits ein geringer Anteil des Masterbatchs für eine Schicht, um die tiefschwarz Ausbildung der Schicht zu realisieren und die Reflexion des Infrarotlichts zu ermöglichen. In einer Variante der Erfindung ist die schwarze Schicht des Backsheets nicht reflektierend ausgebildet, lässt aber die elektromagnetische Strahlung im Bereich von 800 bis 1700 nm vollständig durch die schwarze Schicht transmittieren.
Bei einer besonders günstigen Variante der Erfindung ist mindestens eine Schicht des Backsheets weiß ausgebildet, beispielsweise durch einen Anteil an Titandioxid. Idealerweise reflektiert die weiße Schicht die elektromagnetische Strahlung im Bereich von 800 bis 1700 nm nahezu vollständig.
Bei einer besonders vorteilhaften Variante der Erfindung sind die schwarze, transmittierende Schicht und die weiße reflektierende Schicht übereinander angeordnet, wobei die schwarze Schicht den photovoltaisch wirksamen Zellen zugewandt angeordnet ist. Auftreffende elektromagnetische Strahlung transmittiert dabei durch die schwarze Schicht und wird von der weißen Schicht reflektiert. Dabei transmittiert die reflektierte elektromagnetische Strahlung durch die schwarze Schicht des Backsheets und tritt in die photovoltaisch wirksamen Zellen ein, wobei die Leistung des Photovoltaikmoduls günstig gesteigert werden kann.
Darüber hinaus ist ein Backsheet in der Kombination einer weißen und einer schwarzen Schicht, die elektromagnetische Strahlung im Bereich von 800 bis 1700 nm reflektiert, von den Sortieranlagen im Recycling detektionsfähig und somit auch recycelfähig.
Die besonderen Eigenschaften des Backsheets werden durch den Einsatz und der Auswahl spezieller Polymere erzielt.
Idealerweise ist das Backsheet sortenrein aus einem Polypropylen gebildet, dessen Dichte mehr als 0,88 g/cm3, vorzugsweise mehr als 0,89 g/cm3 beträgt und/oder weniger als 0,93 g/cm3, vorzugsweise weniger als 0,92 g/cm3 beträgt und/oder dessen Schmelzflussrate nach ASTM 1238 (bei 230 °C und 2,16 kg) mehr als 0,6 g/10 min, vorzugsweise mehr als 0,7 g/10 min beträgt und/oder weniger als 1 ,0 g/10 min, vorzugsweise weniger als 0,9 g/10 min beträgt.
Besonders vorteilhaft erweist sich, dass das Backsheet nicht als Laminat ausgebildet ist und dementsprechend keine Delaminationsprozesse durch Witterungseinflüsse initiiert und/oder begünstigt werden können. Die Wahrscheinlichkeit eines schadhaften Backsheets und somit mittelfristig auch eines schadhaften bzw. funktionsgeschädigten Photovoltaikmoduls ist durch die coextrudierte Ausführung deutlich vermindert.
Unter diesem Umstand erscheint es besonders vorteilhaft, dass das Backsheet frei von Kaschierklebern ausgebildet ist. Diese können eine Delamination eines kaschierten Backsheets begünstigen und somit zu einem schadhaften Photovoltaikmodul führen.
Im Sinne einer ökologischen Gestaltung ist das Bachsheet frei von Fluorpolymeren und/oder vergleichbaren Elementen ausgeführt, wodurch die Recycelfähigkeit des Backsheets nach dem Ende der Nutzungszeit des Photovoltaikmoduls gegeben ist.
Der Füllstoffgehalt kann über bekannte Messverfahren wie Veraschung ermittelt werden. Eine Probe mit bekannter Einwaage wird bis zu einer Temperatur erhitzt, bei der sich das Polymer thermisch zersetzt, der Füllstoff aber nicht. Bewährt haben sich hierfür beispielsweise 560 °C. Anschließend wird erneut das Probengewicht gemessen. Über die Differenz Aus- und Einwaage lässt sich der Polymergehalt pro Quadratmeter berechnen.
Als Alternative zur Veraschung ist eine TGA-Messung möglich, bei der das Gewicht einer Probe kontinuierlich bei der Erhitzung gemessen wird. Diese Prüfmethode kann ebenfalls klar zwischen Polymer und Füllstoff differenzieren und erlaubt den Polymeranteil der Folie zu ermitteln. Bei einer günstigen Variante der Erfindung weist mindestens eine weitere Schicht einen anorganischen Füllstoff auf, wobei der Anteil an Füllstoff mehr als 5 Gew.- %, vorzugsweise mehr als 7,5 Gew.-%, insbesondere mehr als 10 Gew.-% beträgt.
Idealerweise ist der Füllstoff als Titandioxid ausgeführt, wodurch sich eine weiße Schicht mit einer vorteilhaften Opazität realisieren lässt.
Opazität ist gegensätzlich zur Transparenz. Sie ist ein Maß für die Lichtundurchlässigkeit bzw. Blickdichtigkeit in Prozent. Insbesondere liegt die Opazität einer vollkommen lichtundurchlässigen Folie bei 100 % und eine vollständig bzw. vollkommen transparente Folie weist eine Opazität von 0 % auf.
Bei einer besonders günstigen Variante weist die weitere Schicht des Backsheets eine Opazität nach DIN 53416 von mehr als 55 %, vorzugsweise mehr als 70 %, insbesondere mehr als 80 % auf. Dadurch reflektiert die weitere Schicht Infrarotlicht nahezu vollständig.
Bei einer besonders günstigen Variante weisen zwei oder mehrere Schichten des Backsheets einen anorganischen Füllstoff in Form von Titandioxid auf und reflektieren Infrarotlicht deutlich intensiver.
Bei der Variante eines dreischichtigen Backsheets ist die mittlere Schicht um einen Faktor dicker als die beiden umgebenden Schichten ausgebildet, wobei der Faktor mehr als 1 ,25, vorzugsweise mehr als 1 ,5, insbesondere mehr als 1 ,75 beträgt. Idealerweise weist die mittlere Schicht einen Anteil an Titandioxid auf, wodurch das Infrarotlicht besonders gut reflektiert werden kann.
Die Messung der Dicke der Folie wurde nach DIN 53370 ermittelt und als Mittelwert angegeben. Das Backsheet weist dabei eine Dicke von weniger als 250 pm, vorzugsweise weniger als 210 pm, insbesondere weniger als 180 pm auf und/oder mehr als 100 pm, vorzugsweise mehr als 130 pm, insbesondere mehr als 160 pm auf.
Idealerweise ist das Backsheet besonders dünn und materialsparend ausgebildet. Übliche und bekannte Backsheets sind meist dicker ausgebildet, um die mechanischen Eigenschaften des erfindungsgemäßen Backsheets zu erzielen. Die Konstruktion des Backsheets entspricht damit den Konstruktionsvorgaben aus dem Plastikpakt. Dennoch weist die Folie aufgrund des besonderen Herstellungsverfahrens hervorragende Eigenschaften auf, die zu einem idealen Backsheet, insbesondere für Photovoltaikmodule, führen.
Zur Realisierung der Recyclingfähigkeit und damit auch der Sortierung in modernen Abfalltrennanlagen, wie beispielsweise dem Schwimm-Sink- Verfahren, beträgt die Dichte des Backsheets weniger als 1 ,00 g/cm3, vorzugsweise weniger als 0,99 g/cm3, insbesondere weniger als 0,98 g/cm3 und/oder mehr als 0,70 g/cm3, vorzugsweise mehr als 0,80 g/cm3, insbesondere mehr als 0,90 g/cm3.
In der ISO 4892 wird ein Verfahren festgelegt, bei denen Probekörper in einem Gerät einer Xenonbogenstrahlung und Feuchtigkeit ausgesetzt werden, um die Bewitterungseffekte nachzubilden, die auftreten, wenn Werkstoffe in realen, im Endgebrauch vorhandenen Umgebungen der Globalstrahlung oder der Globalstrahlung hinter Fensterglas ausgesetzt sind.
Die in ISO 4892-2 beschriebene Prüfmethode wird auch als Xenon-Test beschrieben, auch bekannt als Wettermesser oder Lichtechtheitstest. Der Xenon-Test zeigt in kurzer Zeit, wie gut Kunststoffe gegen Witterungseinflüsse wie Sonnenlicht und Regen beständig sind. Deshalb wird diese Prüfmethode nach 4892-2 auch als künstliche Schnellbewitterung bezeichnet. Beim Xenon-Test nach ISO 4892-2 werden Proben in eine Prüfkammer gegeben, in der sie dann mit einer Xenon-Bogenlampe belichtet werden. Dieses Licht wird so gefiltert, dass genau das Licht durchgelassen wird, dem das Backsheet auch in der Praxis ausgesetzt sein wird. Die wichtigsten Filtertypen sind die so genannten Tageslichtfilter und Fensterglasfilter. Tageslichtfilter beleuchten das Produkt mit einem Spektrum, das dem Spektrum des Sonnenlichts sehr ähnlich ist. Mit einem Fensterglasfilter entsteht ein Lichtspektrum, das dem durch ein Standardfenster fallendes Sonnenlicht entspricht. Das heißt, dass die Proben vor UV-Licht, der Ursache für die meisten Schäden an Kunststoffen, geschützt sind.
Idealerweise weist das Backsheet eine UV-Beständigkeit nach ISO 4892-2 von mehr als 15000 h, vorzugsweise von mehr als 17500 h, insbesondere von mehr als 20000 h auf und ist somit sehr beständig für den Einsatz als Rückseite in einem Photovoltaikmodul, das im Freien aufgestellt ist und den Witterungseinflüssen unterliegt.
Photovoltaikmodule können schadhaft werden, wenn die Rückseitenwand in Form des Backsheets Feuchtigkeit durchlässt. Dabei kann es zu einer Delamination des Backsheets kommen und/oder auch zu einem Riss, aber auch die Frontabdeckung kann durch eintretende Feuchtigkeit beschädigt werden, was zu einer deutlich reduzierten Leistungsfähigkeit des Photovoltaikmoduls führt.
Die Bestimmung der Wasserdampfdurchlässigkeit erfolgt nach DIN 53116 mithilfe eines gravimetrischen Messverfahrens. Ein mit einem Trockenmittel gefüllter Prüfbehälter wird durch die Probe einer Backsheetfolie verschlossen und einem definierten Prüfklima ausgesetzt. Die durch die Probe permeierende Wassermenge wird durch Wiegen bestimmt. Dabei kann eine Wassermenge in einem Bereich von 1 - 200 g/(m2 ■ d) nachgewiesen werden. Die Nachweisgrenze ist weiterhin abhängig von Musterbeschaffenheit und der Musterdicke. Idealerweise weist das Backsheet eine Wasserdampfdurchlässigkeitsrate von kleiner als 20 g/(m2 ■ d), vorzugsweise von kleiner als 2 g/(m2 ■ d), insbesondere von kleiner als 1 g/(m2 ■ d) nach DIN 53122-1 auf und ist somit bestens geeignet als Rückseitenwand für Photovoltaikmodule.
Folien und Tafeln mit einer Stärke bis 1 mm werden anhand von Streifen- oder Schulterproben geprüft. Nach ISO 527-3 und ASTM D 882 ist die übliche Probenform der Streifen. Diese Probenform kann auf einfache Weise mit einer Schneidpresse oder einem Folienschneidgerät hergestellt werden. In der Qualitätskontrolle werden häufig Schulterproben verwendet. In diesem Fall wird ein direkt messender Längenänderungsaufnehmer benötigt, mit dem die Probendehnungen direkt an der Probe erfasst werden können. Dabei werden typische Prüfergebnisse wie die Streckspannung, die Streckdehnung, die Maximalspannung und die nominelle Bruchdehnung erfasst.
Die Bestimmung der Zugeigenschaften erfolgt nach DIN EN ISO 527. Dabei wird im Zugversuch ein Probestreifen einer Backsheetfolie mit konstanter, in der Prüfnorm vorgeschriebener Geschwindigkeit gedehnt und dabei die Kraft F mit der Längenänderung AL der Messstrecke Lo aufgezeichnet.
Idealerweise weist das Backsheet eine Zugfestigkeit in Maschinenrichtung nach DIN EN ISO 527-3 von mehr als 500 MPa, vorzugsweise von mehr als 650 MPa, insbesondere von mehr als 750 MPa auf. Dadurch erweist sich die Backsheetfolie als besonders steif und zäh, wodurch die nötige Spannung als Rückseitenfolie in einem Photovoltaikmodul realisiert werden kann.
Unter Schrumpfung oder dem Schrumpfen von Kunststoffen versteht man eine Änderung der Maßhaltigkeit von Prüfkörpern bei Temperaturen T > TG (amorph) bzw. T > Ts (teilkristallin), die durch die Rückstellung von Molekülorientierungen und die Relaxation von Eigenspannungen verursacht wird. Die Orientierungen entstehen infolge des Verarbeitungsprozesses (Extrusion, Spritzgießen oder Tiefziehen) und sind deshalb von verarbeitungstechnischen Prozessparametern abhängig. Diese Parameter sind die Temperatur des Werkzeugs und der Schmelze, der Spritz- und Nachdruck, die Fließweglänge sowie der Abkühlgradient der Backsheetfolie.
Bei einer günstigen Variante der Erfindung weist das Backsheet einen Schrumpf nach DIN 55543-4 von weniger als 10 %, vorzugsweise von weniger als 2 %, insbesondere von weniger als 1 % auf. Dadurch ist das Backsheet bestens geeignet, um beständig gegenüber den enormen Temperaturschwankungen zwischen Sonneneinstrahlung in der Tagesmitte und kühlen Nachttemperaturen zu sein, ohne dabei eine Ausdehnung bzw. ein Schrumpfen zu zeigen.
In einer alternativen Variante der Erfindung kann das Backsheet eine Haftvermittlerschicht aufweisen. Dadurch kann beispielsweise ein dauerhafter Verbund mit dem Einbettungsmaterial erzielt werden, der auch über den jahrelangen Einsatz eines Photovoltaikmoduls im Freien beständig hält.
Die dielektrische Durchschlagsspannung wird gemäß ASTM D149 bestimmt. Die Prüfungen werden dabei bei 60 Hz durchgeführt. Es gibt drei grundlegende Verfahren, mit denen die Durchschlagsfestigkeit eines Isolators bestimmt werden kann. Diese Verfahren sind das Kurzzeitverfahren, das langsame Anstiegsverfahren und das Stufenverfahren. Jede dieser drei Methoden hat den gleichen Grundaufbau, der darin besteht, dass der Prüfling zwischen zwei Elektroden in Luft oder Öl eingebracht wird.
Für den gebräuchlichsten Test, das Kurzzeitverfahren, wird eine Spannung über die beiden Elektroden angelegt und mit einer gleichmäßigen Rate von Null bis zum dielektrischen Durchschlag erhöht. Ein Zusammenbruch liegt vor, wenn ein elektrischer Durchbrand die Probe durchsticht oder eine Zersetzung in der Probe auftritt. Die Rate des Spannungsanstiegs wird durch die Zeit bestimmt, die die Probe benötigt, um einen dielektrischen Durchschlag zu erreichen. Das langsame Anstiegsverfahren beginnt bei 50 % der durch das Kurzzeitverfahren ermittelten Durchbruchspannung und wird gleichmäßig erhöht.
Das Schritt-für-Schritt-Verfahren beginnt bei 50 % der Kurzzeitprüfung, dann wird die Spannung in gleichen Schritten für eine bestimmte Zeitdauer bis zum Durchbruch erhöht. Der Test wird manchmal in Öl durchgeführt, um eine Lichtbogenbildung von der Elektrode zum Boden zu verhindern.
Vorteilhafterweise weist das Backsheet eine dielektrische Durchschlagsspannung von mindestens 20 kV auf und kann somit eine sichere Rückseitenwand für ein Photovoltaikmodul bilden.
Bei einer alternativen Variante der Erfindung kann das Backsheet eine Beschichtung aufweisen, die zusätzlich Sicherheit gegen das Eindringen von Feuchtigkeit oder anderen Witterungseinflüssen bietet.
Bei einer weiteren Variante der Erfindung ist das Photovoltaikmodul rahmenfrei ausgebildet. Dies lässt sich besonders gut realisieren, indem das Backsheet haftvermittelnd ausgeführt ist. Somit lässt sich die Masse des Photovoltaikmoduls deutlich reduzieren und auch eine flexible Anbringung des Photovoltaikmoduls auf verschiedensten Untergründen realisieren.
Gemäß der Erfindung umfasst das Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaikmoduls folgende Schritte: Das Polypropylen wird mit einem Masterbatch oder mit Titandioxid gemischt und zu einem mindestens zweischichtigen Backsheet coextrudiert. In mindestens eine Schicht des Backsheets wird ein Anteil an einem Masterbatch mit schwarzem Pigment von mehr als 2 Gew.-%, vorzugsweise von mehr als 4 Gew.-%, insbesondere von mehr als 6 Gew.-% und/oder von weniger als 16 Gew.-%, vorzugsweise von weniger als 12 Gew.-%, insbesondere von weniger als 8 Gew.-% eingearbeitet. Mithilfe von Einbettungsmaterial, beispielsweise Ethylenvinylacetat, wird die elektrisch wirksame Zelle zwischen einer lichtdurchlässigen Ablage und dem Backsheet zu einem Photovoltaikmodul verbunden.
Erfindungsgemäß wird ein recyclefähiges Backsheet als Rückseitenfolie in einem Photovoltaikmodul verwendet.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand einer Zeichnung und aus der Zeichnung selbst.
Dabei zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Backsheets.
In Fig. 1 ist eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Backsheets 1 dargestellt. In dieser Ausführungsvariante weist das Backsheet 1 drei Schichten 2, 3, 4 auf. Die Schichten 2 und 4 sind etwa gleich dick ausgeführt, während die Schicht 3 doppelt so dick ausgebildet ist. Die Schichten 3 und 4 sind weiß ausgebildet und umfassen einen Anteil von 10 Gew.-% TiC>2. Die Schicht 2 ist schwarz ausgebildet, der elektrisch wirksamen Zelle zugewandt angeordnet und weist einen Anteil von 6 Gew.-% Masterbatch von Avient mit der Nummer PE 94000817 auf. Das Backsheet 1 ist aus einem Repsol Inspire 137 Polypropylen ausgebildet, ist frei von Ruß und reflektiert die elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge im Bereich von 800 bis 1700 nm zu 60 %. Zusätzlich weist das Backsheet 1 an der Schicht 4, die der bewitterten Umgebung zugewandt ist, eine Beschichtung 5 auf, die das Backsheet vor Witterungseinflüsse schützt.

Claims

Patentansprüche Photovoltaikmodul a. mit einer lichtdurchlässigen Abdecklage, b. einer darunter befindlichen Lage, die mindestens eine photovoltaisch wirksame Zelle enthält, welche in ein Einbettungsmaterial eingebettet ist, c. und einem darunter angeordneten Backsheet (1 ), i. wobei das Backsheet (1 ) als polyolefinische Folie mit mindestens zwei Schichten (2, 3, 4) ausgebildet ist, ii. wobei zumindest eine Schicht (2) ein schwarzes Pigment aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass das Backsheet (1 ) eine Reflexion der elektromagnetischen Strahlung im Bereich 800 bis 1700 nm von mehr als 30 %, vorzugsweise von mehr als 40 %, insbesondere von mehr als 50 % aufweist. Photovoltaikmodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (2) einen Anteil an einem Masterbatch mit schwarzem Pigment von mehr als 2 Gew.-%, vorzugsweise von mehr als 4 Gew.-%, insbesondere von mehr als 5 Gew.-% aufweist und/oder von weniger als 16 Gew.-%, vorzugsweise von weniger als 12 Gew.-%, insbesondere von weniger als 8 Gew.-% aufweist.
3. Photovoltaikmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Backsheet (1) sortenrein aus einem Polypropylen gebildet ist, dessen Dichte mehr als 0,88 g/cm3, vorzugsweise mehr als 0,89 g/cm3 beträgt und/oder weniger als 0,93 g/cm3, vorzugsweise weniger als 0,92 g/cm3 beträgt und/oder dessen Schmelzflussrate nach ASTM 1238 (bei 230 °C und 2,16 kg) mehr als 0,6 g/10 min, vorzugsweise mehr als 0,7 g/10 min beträgt und/oder weniger als 1 ,0 g/10 min, vorzugsweise weniger als 0,9 g/10 min beträgt.
4. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine weitere Schicht (3, 4) einen anorganischen Füllstoff aufweist, wobei der Anteil an Füllstoff mehr als 5 Gew.-%, vorzugsweise mehr als 7,5 Gew.-%, insbesondere mehr als 10 Gew.-% beträgt.
5. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Backsheet (1) eine Dicke von weniger als 250 pm, vorzugsweise weniger als 210 pm, insbesondere weniger als 180 pm aufweist und/oder mehr als 100 pm, vorzugsweise mehr als
130 pm, insbesondere mehr als 160 pm aufweist. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Backsheet (1) eine UV-Beständigkeit nach ISO 4892-2 von mehr als 15000 h, vorzugsweise von mehr als 17500 h, insbesondere von mehr als 20000 h aufweist. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Backsheet (1 ) eine Wasserdampfdurchlässigkeitsrate von kleiner als 20 g/(m2 ■ d), vorzugsweise von kleiner als 2 g/(m2 ■ d), insbesondere von kleiner als 1 g/(m2 ■ d) nach DIN 53122-1 aufweist. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Backsheet (1 ) eine Beschichtung (5) aufweist. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Backsheet (1 ) eine Zugfestigkeit in Maschinenrichtung nach DIN EN ISO 527-3 von mehr als 500 MPa, vorzugsweise von mehr als 650 MPa, insbesondere von mehr als 750 MPa aufweist. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Backsheet (1 ) eine Haftvermittlerschicht aufweist.
11. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Backsheet (1) eine dielektrische
Durchschlagsspannung von mindestens 20 kV aufweist.
12. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass die Schicht (3) um einen Faktor dicker als die
Schichten (2, 4) ausgebildet ist, wobei der Faktor mehr als 1 ,25, vorzugsweise mehr als 1,5, insbesondere mehr als 1,75 beträgt.
13. Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaikmoduls mit folgenden Schritten:
Coextrusion eines Backsheets (1),
Verbinden einer lichtdurchlässigen Ablage mit einer elektrisch wirksamen Zelle und eines Backsheets (1) mit einem Einbettungsmaterial zu einem Photovoltaikmodul, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Schicht (2) des Backsheets einen Anteil an einem Masterbatch mit schwarzem Pigment von mehr als 2 Gew.-%, vorzugsweise von mehr als 4 Gew.-%, insbesondere von mehr als 5 Gew.- % eingearbeitet wird und/oder von weniger als 16 Gew.-%, vorzugsweise von weniger als 12 Gew.-%, insbesondere von weniger als 8 Gew.-% eingearbeitet wird.
14. Verwendung eines recyclefähigen Backsheets (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis 12 als Rückseitenfolie in einem Photovoltaikmodul.
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