WO1996018212A1 - Kunststoff-verbunde mit integrierten energiegewinnungselementen - Google Patents

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WO1996018212A1
WO1996018212A1 PCT/DE1995/001687 DE9501687W WO9618212A1 WO 1996018212 A1 WO1996018212 A1 WO 1996018212A1 DE 9501687 W DE9501687 W DE 9501687W WO 9618212 A1 WO9618212 A1 WO 9618212A1
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composite
layer
layers
substrate
composite systems
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PCT/DE1995/001687
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Volker Benz
Michael Müller
Helmut Teschner
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Röhm Gmbh
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B32—LAYERED PRODUCTS
    • B32B—LAYERED PRODUCTS, i.e. PRODUCTS BUILT-UP OF STRATA OF FLAT OR NON-FLAT, e.g. CELLULAR OR HONEYCOMB, FORM
    • B32B27/00—Layered products comprising a layer of synthetic resin
    • B32B27/30—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising vinyl (co)polymers; comprising acrylic (co)polymers
    • B32B27/308—Layered products comprising a layer of synthetic resin comprising vinyl (co)polymers; comprising acrylic (co)polymers comprising acrylic (co)polymers
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01L—SEMICONDUCTOR DEVICES NOT COVERED BY CLASS H10
    • H01L31/00—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof
    • H01L31/04—Semiconductor devices sensitive to infrared radiation, light, electromagnetic radiation of shorter wavelength or corpuscular radiation and specially adapted either for the conversion of the energy of such radiation into electrical energy or for the control of electrical energy by such radiation; Processes or apparatus specially adapted for the manufacture or treatment thereof or of parts thereof; Details thereof adapted as photovoltaic [PV] conversion devices
    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/048—Encapsulation of modules
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E10/00—Energy generation through renewable energy sources
    • Y02E10/50—Photovoltaic [PV] energy

Definitions

  • the invention relates to composite systems VS consisting of at least one substrate layer made of a transparent hard plastic TK and a layer composite firmly adhering thereto made of at least two layers of a transparent elastic plastic VK with at least one intermediate layer which contains energy recovery elements.
  • Plastic parts with integrated elements for generating light energy are known.
  • DE-A 42 19 075 describes, for example, soundproof walls made of plastic glass with at least one plastic glass pane, at least one energy-generating element being embedded in the plastic glass pane, which element is suitable for generating solar energy.
  • Such soundproof walls preferably comprise plastic glass panes made of methyl methyl methacrylate and photovoltaic elements or elements with heat transfer liquids, such as, for example, hoses, pipes or cavities.
  • the energy generation elements can be connected by gluing and gluing to the plastic glass panes or preferably by embedding them.
  • REPLACEMENT LATCH (RULE 26) Vinyl acetate or from ethylene-tetrafluoroethylene copolymers are embedded.
  • Composites of hard plastic layers with elastic intermediate layers are also known from the prior art, for example from EP-A 608 748, in which plastic composites made of polyethacrylate parts are described, the intermediate layers made of thermoplastic elastomers, consisting of comb polymers on poly (meth) acrylate base.
  • JP-A 61,132,343 (Che. Abstr. 105. 154387e) describes acrylic glass laatees consisting of two outer panes made of hard plastic and an intermediate layer made of a soft plastic, for example an elastomer based on methyl acrylate and methyl methacrylate, which are coated on both sides with a antistatic agent and an acrylic adhesive.
  • the composite systems VS according to the invention are constructed according to FIG. 1 or preferably according to FIG. 2, and in further applications according to FIGS. 3 and 4.
  • the composite systems VS comprise at least one substrate layer (FIG. 1, 1) made of a hard transparent plastic TK and a layer composite (2) adhering firmly to the substrate layer (1), composed of at least two layers (3, 3 ' ) an elastic, transparent plastic VK and at least one layer (4) lying between the layers (3) and (3 ') containing the energy generation elements (5). There are preferably no phase boundaries between the layers (4), (3) and (3 '), ie the energy generation elements (5) are embedded in the layer composite (2).
  • the composite systems VS comprise at least two substrate layers (FIGS.
  • Preferred hard transparent plastics TK are those with a light transmission Tn 65 according to DIN 5033/5036 of more than 85%, particularly preferably of more than 88%, with polycarbonate and polymethacrylates being particularly suitable as plastics TK.
  • the transparent plastics VK are selected from the group of elastomers, preferably from the group of chemically and / or physically crosslinked elastomers, such as, for example, polysiloxanes, polyacrylates, polyurethanes and / or ethylene copolymers, such as particularly preferably ethylene-vinyl acetate copolymers.
  • the layers (3) or (3 ') are provided with an adhesion promoter on the surfaces to be connected before they are adhered to the layers (1) and (1) and / or the layers (1 ) and (!
  • the energy generation elements (5) are preferably flat photovoltaic elements with a small cross section, for example silicon photocells, wherein in the case of arrangements with a plurality of photocells, these are preferably connected to one another in an electrically conductive manner.
  • the substrate layers (1, 1 * * ) made of the hard transparent plastics TK are generally between 0.5 and 20 mm, preferably between 1 and 10 mm thick and have good thermoformability.
  • the plastics TK preferably have a light transmission Tn 65 according to DIN 5033/5036 of more than 85%, particularly preferably of more than 88%.
  • the plastics TK are preferably stable against corrosion by atmospheric oxygen and rain or condensed water or against radiation-induced corrosion, for example by UV radiation-induced degradation of the plastics.
  • This stability can be intrinsic property of the plastics TK or by suitable ones Additives are achieved, such as antioxidants or UV absorbers, which can also be part of functional coatings on the outer surfaces of the substrate layers (1, 1 ').
  • plastics TK are: polystyrenes, polyesters, amorphous polyamides, polyarylates, polyester carbonates and preferably polycarbonates, such as bisphenol A polycarbonate and particularly preferably poly (meth) acrylates, such as, in particular, homo- or copolymers of methyl methacrylate.
  • the coatings already mentioned on the exposed surfaces of the substrate layers (1, 1 ') can be functional coatings, such as, for example, scratch-resistant coatings, antireflection coatings, IR-reflecting coatings, UV-absorbing coatings, dirt-repellent coatings or water-spreading coatings.
  • such coatings are applied to the exposed surfaces of the substrate layers (1, 1 ') if contamination is to be avoided which reduces the light yield at the energy-generating elements by means of light scattering or reflection, such as water drops or dust particles.
  • the layers (3, 3 ') made of transparent, elastic plastics VK are generally between 0.1 and 10 mm, preferably between 0.5 and 5 mm thick.
  • the transparent elastic plastics VK building up the layers (3, 3 ') have an elastic modulus E of maximum 1000 MPa according to DIN ISO 527.
  • the transparent, elastic plastics VK are selected from the group of the elastomers (see, for example, Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd. Ed. Vol., 8, pages 446-640, J. Wiley, New York, 1979).
  • the transparent, elastic plastics VK are particularly preferably selected from the group of physically and / or chemically crosslinked elastomers, such as, for example, thermoplastic elastomers or rubbers, plastics VK from the group of thermoplastic elastomers based on poly (meth) acrylate being very particularly preferred, as described, for example, in EP-A 381 065, crosslinked poly (meth) acrylates, crosslinked polysiloxanes, such as, for example, silicone rubber, crosslinked polyurethanes and crosslinked ethylene copolymers, such as, in particular, ethylene-vinyl acetate copolymers.
  • plastics VK from the group of thermoplastic elastomers based on poly (meth) acrylate being very particularly preferred, as described, for example, in EP-A 381 065, crosslinked poly (meth) acrylates, crosslinked polysiloxanes, such as, for example, silicone rubber, crosslinked polyurethanes and crosslinked ethylene copolymers, such
  • the layer composites (2) and / or the substrate layers (1, 1 ') can be provided with adhesion promoters, so-called primers, on the surfaces which come into contact with one another.
  • primers are generally adhesive or adhesion-promoting substances, preferably polymer resins PH, which are dissolved in solvents which have no corrosive action on the plastics TK which form the layers (1, 1 ') and, if appropriate, on the layers (3, 3') constructive plastics VK. Avoiding the corrosion of the plastics TK and VK is particularly important for the light yield on the energy recovery elements (5) and for the mechanical stability of the layer composites, both properties that would be significantly impaired in the event of signs of corrosion, such as bubbles or microcracks.
  • the in the Polymer resins PH used in primers preferably contain adhesive groups, such as urethane, amino, ester or particularly preferably hydroxyl groups.
  • the energy generation elements (5) which are used to generate solar energy, are preferably photo elements, which convert light energy into electrical energy. Semiconductor diodes, mostly based on silicon, are preferred (cf. Rö pps Chemielexikon, 9th edition, p. 3407ff, Georg Thieme, Stuttgart, New York, 1991).
  • the energy recovery elements (5) are preferably flat elements with small cross sections, for example between 10 ⁇ 3 and 10 mm, preferably between 5 x 10 ⁇ 3 and 5 mm, which correspond to corresponding thicknesses of the layer (4) containing the energy recovery elements (5). to lead.
  • the preferably used photo elements are advantageously combined into so-called solar modules, individual photo elements being connected by electrically conductive elements.
  • the gaps (6) occurring in the layer (4) between the energy-generating elements (5) are preferably filled with the plastics VK which form the layers (3, 3 ').
  • the layer composites (2) are first produced, the energy-generating elements (5) being inserted between the layers (3) and (3 ') and the layers (3) and (3'), which are present, for example, in film form , then firmly connected to each other, for example by solvent or hot gluing.
  • the layer (3) in the production of the layer composites (2), is first produced in a chamber by pouring out an uncrosslinked prepolymer of the plastic VK, in a second step the energy recovery elements (5) are placed on the layer (3) in a third step, the layer (4) and the layer (3 ') are produced by pouring out further uncrosslinked prepolymer of the plastic VK and then the layer composite (2) is formed by crosslinking polymerization.
  • Layer composites (2) produced in this way have no phase boundaries between layers (4), (3) and (3 '). This means that between layers (4), (3) and (3 ') there are no longer any visually perceptible layer boundaries.
  • the layer composites (2) are then joined in a second step with the substrate material (1) according to FIG. 1 or with the substrate materials (1) and (1 ') according to FIG. 2, preferably using the described primer substances.
  • the assembly is preferably carried out with the aid of solvent systems, by heating the surfaces to be joined and / or by applying pressure, for example by hot stamping, gluing or rolling.
  • the layers (3) or (3 ') are first applied to the substrate layers (1) or (1'), optionally using primers, in a second step the energy recovery elements (5 ) inserted between the composites of layers (1) and (3) or (1 ') and (3'), the energy recovery elements (5) being surrounded by layers (3) and (3 '), and then in a third Step the layers (3) and (3 ') firmly connected to each other, as described above.
  • the layer composite (2) is embedded between the substrate layers (1) and (1 ') such that the substrate layers completely enclose the layer composite (2).
  • Composite systems VS according to FIG. 3 are preferably produced like the previously described composite systems according to FIGS. 1 and 2: in a first step, the layer composites (2) are produced as described above, which in a second step with the substrate layers (1) and (1 '), as described above, are joined together, the surface of the layer composites (2) being smaller than the surface of the substrate layers (1) and (1').
  • the ratio of the surface of the layer composites (2) to the surface of the substrate layers (1) and (1 ') is preferably between 1:10 and 9.9: 10, preferably between 5:10 and 9.5: 10.
  • the layer composites (2) are completely enveloped by a substrate layer (1).
  • Such composite systems VS are preferably produced by casting in molds with monomer-polymer systems, which in the hardened state produce the transparent, hard substrate plastic TK.
  • the edge region (7) is preferably filled with the plastic VK which builds up the layers (3) and (3 ').
  • the substrate layers (1) and (1 ') used for the composite systems VS according to FIGS. 1 to 3, which preferably consist of polycarbonate and very particularly preferably of homo- or copolymers of methyl ethacrylate and which are used, for example, in the form of films or plates are produced, for example, by the polymerization of casting resins in the form of monomer-polymer systems in molds or by extrusion with subsequent smoothing of the surface.
  • the functional layers on the outer surfaces of the substrate layers (1) and (1 * * ) of the composite systems VS which mainly serve to avoid contamination or scratches, which reduce the light yield at the energy recovery element (5), are known Processes such as knife application, brush application or reverse roll coating are applied.
  • the composite systems VS according to the invention are distinguished by a high level of protection against damage, such as, for example, against impact, deformation or theft.
  • the composite systems have the advantage of higher corrosion resistance, especially at the interface between substrate plastic TK and energy recovery element (5).
  • a corrosion-triggering factor the formation of microcracks at the above-mentioned interfaces due to the different thermal expansion coefficients of the energy recovery elements (5) and the substrate plastic TK, is caused by the storage of the energy recovery elements (5) in the layer composite (2) between the layers (3) and (3 ') practically excluded from the elastic plastic VK.
  • energy recovery elements (5) attached to one side of the substrate layer (1) are also protected against damage by the layer (3 ').
  • the ethylene-vinyl acetate copolymers particularly preferably used as plastics VK can be chemically crosslinked subsequently, for example, during the hotlaidation process, in which the phase boundaries between layers (4), (3) and (3 ') are largely eliminated, if present become, which makes the layer composite (2) even more resistant to damage.
  • Such a thermally induced post-crosslinking in the layer composite (2) is not limited to ethylene-vinyl acetate copolymers.
  • Another advantage is the easier removal of contaminants, such as dusts, soot-like deposits or water drops, which can drastically reduce the luminous efficacy of the energy recovery element (5) and which, when deposited directly on the energy recovery element (5), are practically impossible to remove without damaging them.
  • the presence of functional layers on the surfaces of the substrate layers (1) and (1 ') further increases this advantage. If several photo elements are arranged as energy recovery elements (5), the composite system VS the not inconsiderable advantage that the electrically conductive connections of the photo elements, which are generally very fine wires or conductor tracks, are effectively protected by the composite VS.
  • the VS composite systems are ideal as modules for decentralized power supply, for example at bus or train stops, on facades, on information boards or on illuminated advertising walls.
  • the composite systems VS are preferably coupled to accumulators for electrical energy, which emit the electrical energy produced by the energy generation elements (5) and then stored in the dark, in which the energy generation elements (5) do not supply energy or only supply it with low efficiency.
  • a further advantageous application of the composite systems VS according to the invention is the combination with energy-saving lamps which are integrated in uniformly illuminated composite systems, as described for example in DE-Gb 93 16 096.8, 93 18 263.3 or 94 15 950.5.
  • the composite systems VS can be used as integrated elements in noise barriers, a great advantage in addition to the energy being the high breaking strength of the composite systems VS, which is caused by the layer composite (2) made of elastic plastic VK and the breaking strength of composite systems without significantly exceeding the layer composite (2).
  • Plates made of PLEXIGLAS ® GS233 (from Röh) with the dimensions 300 x 20 x 3 (length x width x height) are used as substrate layers (1) and (1 ').
  • these plates are coated with a 6% by weight solution of a hydroxyl polyurethane in a solvent mixture of 5 parts by weight of butyl acetate, 20 parts by weight of acetone and 20 Parts by weight of methoxypropanol (commercial product "Grund michmaschine 60" from Röhm GmbH) are coated by spraying and then drying.
  • a conductive composite of 9 photocells (5) with the dimensions 100 x 25 x 0.4 mm (length x width x height) is placed between two foils (3) and (3 ') made of ethylene-vinyl acetate copolymer (ELVAX ® 485 from Fa BP Chemical) with a thickness of 0.5 mm and placed between the substrate layers (1) and (1 ') according to Example 1, the adhesive surfaces of the substrate layers (1) and (1') provided with the primer each having the Foils (3) and (3 ') are brought into contact.
  • the composites are then laminated at temperatures of 150 to 155 degrees C on the surface of the layer composite (2) and on the adhesive surfaces of the substrate layers (1) and (1 ') using a pressure of 1 bar.
  • the composite system VS manufactured in this way can be used to convert solar energy into electrical energy and fulfills the tests of the IEC 503 standard for the functionality of solar modules (full maintenance after 10 weathering cycles: 0.5 hours at -40 degrees C, 20 hours heating up) to 85 degrees C / 85% iF and after storage for 1000 hours at 85 degrees C and 85% relative humidity).

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Abstract

Die Erfindung betrifft Verbundsysteme VS aus mindestens einer Substratschicht (1) (Fig. 1) aus einem harten transparenten Kunststoff TK und einem an der Substratschicht fest haftenden Schichtverbund (2), der aus einem elastischen, transparenten Kunststoff VK mit einem Elastizitätsmodul nach DIN ISO 527 von maximal 1000 MPa, und darin enthaltenen Energiegewinnungselementen (5), die die Solarenergie in andere Energieformen wandeln, besteht. Vorzugsweise ist der Schichtverbund (2) durch mindestens zwei Substratschichten (1, 1') umhüllt (Fig. 2 und Fig. 3) beziehungsweise von der Substratschicht (1) (Fig. 4) vollständig umhüllt. Weiterhin bevorzugt sind als Energiegewinnungselemente (5) Photozellen, sind die Substratschichten an ihren freiliegenden Oberflächen mit weiteren funktionellen Schichten versehen und ist die Haftung zwischen Substratschichten (1) bzw. (1, 1') und Schichtverbund (2) durch Haftvermittler verbessert.

Description

Kunststoff-Verbünde mit integrierten Energiegewinnungselementen
BESCHREIBUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft Verbundsysteme VS aus mindestens einer Substratschicht aus einem transparenten harten Kunststoff TK und einem daran fest haftenden Schichtverbund aus mindestens zwei Schichten eines transparenten elastischen Kunststoffs VK mit mindestens einer Zwischen¬ schicht, die Energiegewinnungselemente enthält.
Stand der Technik
Kunststoffteile mit integrierten Elementen zur Gewinnung von Lichtenergie sind bekannt.
DE-A 42 19 075 beschreibt beispielsweise Schallschutzwände aus Kunststoffglas mit mindestens einer Kunststoffglasscheibe, wobei in die Kunststoffglasscheibe mindestens ein Energiegewinnungselement einge¬ bettet ist, das zur Solarenergiegewinnung geeignet ist. Vorzugsweise umfassen solche Schallschutzwände Kunststoffglasscheiben aus Poly- methylmethacrylat und photovoltaische Elemente bzw. Elemente mit Wärmeüberträgerflüssigkeiten, wie beispielsweise Schläuche, Rohre oder Hohlräume. Die Energiegewinnungselemente können durch Auf- und Verkleben mit den Kunststoffglasscheiben oder bevorzugt durch Einbettung mit diesen verbunden werden.
Weiterhin sind flexible Photozellenverbunde bekannt, bei denen die Photozellen zwischen Folien aus Ethylen-
ERSATZELATT (REGEL 26) Vinylacetat- oder aus Ethylen-Tetrafluorethylen- Copolymerisaten eingebettet sind.
Aus dem Stand der Technik sind darüber hinaus Verbünde aus harten Kunststoffschichten mit elastischen Zwischen¬ schichten bekannt, beispielsweise aus EP-A 608 748, in der Kunststoffverbunde aus Poly ethacrylatteilen beschrieben werden, die Zwischenschichten aus thermoplastischen Elastomeren, bestehend aus Kammpolymerisaten auf Poly(meth)acrylat-Basis, aufweisen. In der JP-A 61,132,343 (Che . Abstr. 105. 154387e) werden Acrylglas-La inate beschrieben, bestehend aus zwei Außenscheiben aus hartem Kunststoff und einer Zwischenschicht aus einem weichen Kunststoff, beispielsweise einem Elastomeren auf Basis Methylacrylat und Methylmethacrylat, die beidseitig mit einem antistatischen Agens und einem Acrylat-Kleber versehen ist.
Aufgabe und Lösung
Bei direkter Einlagerung von Energiegewinnungselementen in Kunststoffen treten bei unterschiedlich großen Ausdehnungskoeffizienten von Kunststoff und Energiegewinnungselement bei schnellen Temperaturwechseln Ablösungen an den Phasengrenzen des Verbundes zwischen Kunststoff und Energiegewinnungselement sowie mechanische Beschädigungen am Energiegewinnungselement auf. Die flexiblen Photozellenverbunde sind für sich allein genommen leicht beschädigbar, insbesondere durch Stoß oder durch starkes Verbiegen.
Die aus dem Stand der Technik bekannten Verbünde aus harten Kunststoffschichten mit elastischen Zwischen- schichten sind für die Einlagerung von Energiegewinnungs¬ elementen nur bedingt geeignet, da die Einlagerung von Energiegewinnungselementen mit hohem technologischen Aufwand (vgl. beispielsweise die aus DE-A 42 19 075 bekannte Einlagerung von Energiegewinnungselementen durch Eingießen) verbunden ist.
Die daraus resultierende Aufgabe zur Bereitstellung von Verbundsystemen aus festen Substraten mit darin integrierten Elementen zur Gewinnung von Energie, insbesondere von Lichtenergie, bei welchen Ablösungen an den Phasengrenzen des Verbundes zwischen Kunststoff und Energiegewinnungselementen und mechanische Beschädigungen am Energiegewinnungselement vermieden werden und die Energiegewinnungselemente in einem einfachen Verfahren in seiner endgültigen Position im Verbund fixiert werden, wird durch die erfindungsgemäßen Verbundsysteme VS gelöst.
Die erfindungsgemäßen Verbundsysteme VS sind gemäß Fig. 1 oder bevorzugt nach Fig. 2, sowie in weiteren Anwendungen nach Fig. 3 und Fig. 4 aufgebaut.
Gemäß Hauptanspruch der vorliegenden Erfindung umfassen die Verbundsysteme VS mindestens eine Substratschicht (Fig, 1, 1) aus einem harten transparenten Kunststoff TK und einem an der Substratschicht (1) fest haftenden Schichtverbund (2) , aufgebaut aus mindestens zwei Schichten (3, 3') eines elastischen, transparenten Kunststoffs VK und mindestens einer zwischen den Schichten (3) und (3') liegenden Schicht (4) enthaltend die Energiegewinnungselemente (5) . Vorzugsweise befinden sich zwischen den Schichten (4), (3) und (3') keine Phasengrenzen, d.h. die Energiegewinnungselemente (5) sind in den Schichtverbund (2) eingebettet. In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfassen die Verbundsysteme VS mindestens zwei Substrat¬ schichten (Fig. 2, 1, 1') aus einem harten, transparenten Kunststoff TK, die mit den Schichtverbunden (2) , ent¬ haltend die Energiegewinnungselemente (5) , an den Kontakt¬ flächen zwischen den Schichten (1) und (3) bzw. zwischen (1') und (3') fest haftend verbunden sind. Weiterhin bevorzugt sind die Ausführungsformen der Erfindung gemäß Fig. 3 und Fig. 4, bei denen der Schichtverbund (2) von dem die Substratschicht (1) bildenden harten transparenten Kunststoff TK vollständig fest haftend umschlossen sind.
Als harte transparente Kunststoffe TK bevorzugt sind solche mit einer Lichttransmission Tn65 nach DIN 5033/5036 von mehr als 85 %, besonders bevorzugt von mehr als 88 %, wobei als Kunststoffe TK insbesondere Polycarbonat und Polymethacrylate infrage kommen.
Als transparente, elastische Kunststoffe VK werden bevorzugt solche eingesetzt, die einen Elastizitätsmodul nach DIN ISO 527 von maximal 1 000 MPa aufweisen. Insbesondere sind die transparenten Kunststoffe VK aus der Gruppe der Elastomere ausgewählt, bevorzugt aus der Gruppe der chemisch und/oder physikalisch vernetzten Elastomere, wie beispielsweise Polysiloxane, Polyacrylate, Polyurethane und/oder Ethylencopolymerisate, wie besonders bevorzugt Ethylen-Vinylacetat-Copoly erisate. In einer weiteren Ausführungsform werden die Schichten (3) bzw. (3') an den zu verbindenden Oberflächen mit einem Haftvermittler versehen, bevor diese mit den Schichten (1) und (1 ) zur Haftung gebracht werden und/oder werden die Schichten (1) und (!') an den zu verbindenden Oberflächen mit Haftvermittler versehen, bevor diese mit den Schichten (3) und (3') zur Haftung gebracht werden. Die Energiegewinnungselemente (5) sind vorzugsweise flächige photovoltaische Elemente mit einem geringen Querschnitt, beispielsweise Silicium-Photozellen, wobei bei Anordnungen mit mehreren Photozellen diese bevorzugt elektrisch leitend untereinander verbunden sind.
Durchführung der Erfindung
Die Materialien
Die Substratschichten (1, 1**) aus den harten transparenten Kunststoffen TK sind im allgemeinen zwischen 0,5 und 20 mm, vorzugsweise zwischen 1 und 10 mm dick und weisen eine gute Thermoverformbarkeit auf. Bevorzugt weisen die Kunststoffe TK eine Lichttransmission Tn65 nach DIN 5033/5036 von mehr als 85 %, besonders bevorzugt von mehr als 88 % auf. Weiterhin bevorzugt sind Kunststoffe TK mit Vicat-Erweichungstemperaturen VET nach ISO 306 von mehr als 60 Grad C, besonders bevorzugt von mehr als 80 Grad C, wobei die Vicat-Erweichungste peratur VET im allgemeinen über der durch die Sonneneinstrahlung erzeugte Wärme im Inneren der Substratschichten (1, 1') bei Freibewitterung liegen soll. Vorzugsweise sind die Kunststoffe TK stabil gegen Korrosion durch Luftsauerstoff und Regen- oder Kondenswasser oder gegen strahleninduzierte Korrosion, beispielsweise durch UV-Strahlungsinduzierten Abbau der Kunststoffe. Diese Stabilität kann intrinsische Eigenschaft der Kunststoffe TK sein oder durch geeignete Additive erreicht werden, wie beispielsweise Antioxidantien oder UV-Absorber, die auch Bestandteil von funktioneilen Beschichtungen auf den außenliegenden Oberflächen der Substratschichten (1, 1') sein können.
Als Beispiele für Kunststoffe TK seien genannt: Polystyrole, Polyester, amorphe Polyamide, Polyarylate, Polyestercarbonate sowie bevorzugt Polycarbonate, wie Bisphenol-A-Polycarbonat und besonders bevorzugt Poly- (meth)acrylate wie insbesondere Homo- oder Copolymerisate des Methylmethacrylats.
Die schon genannten Beschichtungen auf den freiliegenden Oberflächen der Substratschichten (1, 1') können funktionelle Beschichtungen, wie beispielsweise Kratzfest Beschichtungen, Antireflex-Beschichtungen, IR- reflektierende Beschichtungen, UV-absorbierende Beschichtungen, schmutzabweisende Beschichtungen oder wasserspreitende Beschichtungen sein. Insbesondere werden solche Beschichtungen dann auf die freiliegenden Oberflächen der Substratschichten (1, 1') aufgebracht, wenn Verunreinigungen vermieden werden sollen, die die Lichtausbeute an den Energiegewinnungselementen durch Lichtstreuung oder -reflexion vermindern, wie beispiels¬ weise Wassertropfen oder Staubpartikel.
Die Schichten (3, 3') aus transparenten, elastischen Kunststoffen VK sind im allgemeinen zwischen 0,1 und 10 mm, vorzugsweise zwischen 0,5 und 5 mm dick. Die die Schichten (3, 3') aufbauenden transparenten elastischen Kunststoffe VK weisen einen Elastizitätsmodul E von maximal 1000 MPa nach DIN ISO 527 auf. Vorzugsweise werden die transparenten, elastischen Kunststoffe VK aus der Gruppe der Elastomeren ausgewählt (vgl. hierzu beispielswise Kirk-Othmer, Encyclopedia of Chemical Technology, 3rd. Ed. Vol., 8, Seiten 446 - 640, J. Wiley, New York, 1979) . Besonders bevorzugt werden die transparenten, elastischen Kunststoffe VK aus der Gruppe der physikalisch und/oder chemisch vernetzten Elastomeren, wie beispielsweise thermoplastische Elastomere oder Gummis, ausgewählt, wobei ganz besonders bevorzugt Kunststoffe VK aus der Gruppe thermoplastische Elastomere auf Poly(meth)acrylat-Basis, wie beispielsweise in EP-A 381 065 beschrieben, vernetzte Poly(meth)acrylate, vernetzte Polysiloxane, wie beispielsweise Silikonkautschuk, vernetzte Polyurethane sowie vernetzte Ethylen-Copolymerisate, wie insbesondere Ethylen- Vinylacetat-Copolymerisate, ausgewählt werden. Die Schichtverbunde (2) und/oder die Substratschichten (1, 1') können an den miteinander in Kontakt kommenden Ober¬ flächen mit Haftvermittlern, sogenannten Primern, versehen sein. Solche Primer sind in der Regel klebende oder haftungsfordernde Substanzen, vorzugsweise Polymerharze PH, die in Lösungsmitteln gelöst sind, welche keine korrosive Wirkung auf die die Schichten (1, 1') aufbauenden Kunststoffe TK und gegebenenfalls auf die die Schichten (3, 3') aufbauenden Kunststoffe VK ausüben. Die Vermeidung der Korrosion der Kunststoffe TK und VK ist insbesondere wichtig für die Lichtausbeute an den Energie¬ gewinnungselementen (5) sowie für die mechanische Stabilität der Schichtverbunde, beides Eigenschaften, die bei Korrosionserscheinungen, wie Bläschen oder Mikro- rissen, erheblich beeinträchtigt würden. Die in den Primern eingesetzten Polymerharze PH enthalten vorzugs¬ weise haftende Gruppen, wie beispielsweise Urethan-, A ino-, Ester- oder besonders bevorzugt Hydroxy-Gruppen. Die Energiegewinnungselemente (5) , die zur Gewinnung von Solarenergie dienen, sind vorzugsweise Photoelemente, die Lichtenergie in elektrische Energie wandeln. Bevorzugt sind Halbleiterdioden, meist auf Siliciu -Basis (vgl. hierzu Rö pps Chemielexikon, 9. Aufl., S. 3407ff, Georg Thieme, Stuttgart, New York, 1991) . Die Energiegewinnungs¬ elemente (5) sind vorzugsweise flächige Elemente mit geringen Querschnitten, beispielsweise zwischen 10~3 und 10 mm, vorzugsweise zwischen 5 x 10~3 und 5 mm, die zu entsprechenden Dicken der die Energiegewinnungselemente (5) enthaltenden Schicht (4) führen. Die bevorzugt eingesetzten Photoelemente sind zweckmäßigerweise zu sogenannten Solarmodulen zusammengefaßt, wobei einzelne Photoelemente durch elektrisch leitende Elemente verbunden sind. Die in der Schicht (4) zwischen den Energie¬ gewinnungselementen (5) auftretenden Lücken (6) sind vorzugsweise mit den die Schichten (3, 3') aufbauenden Kunststoffen VK ausgefüllt.
Herstellung der Verbundsysteme VS
In einer Ausführungsform der Erfindung werden zunächst die Schichtverbunde (2) hergestellt, wobei die Energiegewinnungselemente (5) zwischen die Schichten (3) und (3') eingelegt werden und die Schichten (3) und (3'), die beispielsweise in Folienform vorliegen, danach miteinander fest verbunden werden, beispielsweise durch Lösemittel- oder Heißverklebung. In einer weiteren, bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird bei der Herstellung der Schichtverbunde (2) in einer Kammer zunächst die Schicht (3) durch Ausgießen eines unvernetzten Praepolymerisats der Kunststoff VK hergestellt, in einem zweiten Schritt die Energiegewinnungselemente (5) auf die Schicht (3) aufgelegt, in einem dritten Schritt die Schicht (4) und die Schicht (3') durch Ausgießen von weiterem unvernetzten Praepolymersat des Kunststoffs VK hergestellt und danach der Schichtverbund (2) durch vernetzende Polymerisation gebildet. Solchermaßen hergestellte Schichtverbunde (2) weisen keine Phasengrenzen zwischen den Schichten (4) , (3) und (3') auf. Dies bedeutet, daß zwischen den Schichten (4), (3) und (3') keine optisch wahrnehmbaren Schichtgrenzen mehr vorhanden sind.
Die Schichtverbunde (2) werden danach in einem zweiten Schritt mit dem Substratmaterial (1) gemäß Fig. 1 bzw. mit den Substratmaterialien (1) und (1') gemäß Fig. 2 zusammengefügt, vorzugsweise unter Verwendung der beschriebenen Primersubstanzen. Das Zusammenfügen erfolgt vorzugsweise mit Hilfe von Lösungsmittelsystemen, durch Erhitzen der zu verbindenden Oberflächen und/oder durch Anwenden von Druck, beispielsweise durch Heißprägen, Verkleben oder Verwalzen.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung werden zunächst die Schichten (3) bzw. (3') auf die Substrat¬ schichten (1) bzw. (1'), gegebenenfalls unter Verwendung von Primern, aufgebracht, in einem zweiten Schritt die Energiegewinnungselemente (5) zwischen die Verbünde aus den Schichten (1) und (3) bzw. (1') und (3') eingelegt, wobei die Energiegewinnungselemente (5) von den Schichten (3) und (3') umgeben sind, und danach in einem dritten Schritt die Schichten (3) und (3') miteinander, wie oben beschrieben, fest verbunden.
In einer dritten Ausführungsform der Erfindung wird gemäß Fig. 3 der Schichtverbund (2) solchermaßen zwischen die Substratschichten (1) und (1') eingelagert, daß die Substratschichten den Schichtverbund (2) vollständig umschließen. Bevorzugt werden Verbundsysteme VS gemäß Fig. 3 wie die zuvor beschriebenen Verbundsysteme gemäß Fig. 1 und Fig. 2 hergestellt: in einem ersten Schritt werden die Schichtverbunde (2) wie oben beschrieben hergestellt, welche in einem zweiten Schritt mit den Substratschichten (1) und (1'), wie oben beschrieben, zusammengefügt werden, wobei die Oberfläche der Schichtverbunde (2) kleiner als die Oberfläche der Substratschichten (1) und (1') ist. Vorzugsweise liegt da Verhältnis der Oberfläche der Schichtverbunde (2) zu der Oberfläche der Substratschichten (1) und (1') zwischen 1 : 10 und 9,9 : 10, vorzugsweise zwischen 5 : 10 und 9,5 : 10.
In der vierten dargestellten Ausführungsform der Erfindun (Fig. 4) sind die Schichtverbunde (2) vollständig von einer Substratschicht (1) umhüllt. Vorzugsweise werden solche Verbundsysteme VS durch Eingießen in Formen mit Monomer-Polymer-Systemen, die im gehärteten Zustand den transparenten, harten Substratkunststoff TK ergeben, hergestellt.
Wichtig ist, daß in den Randbereichen (Fig. 3, 4: 7) de Schichtverbunde (2) kein unmittelbarer Kontakt zwischen den Energiegewinnungselementen (5) und dem Substrat¬ kunststoff TK auftritt. Vorzugsweise sind die Randbereich (7) mit dem die Schichten (3) und (3') aufbauenden Kunststoff VK ausgefüllt. Die für die Verbundsysteme VS gemäß den Fig. 1 bis 3 verwendeten Substratschichten (1) und (1'), die bevorzugt aus Polycarbonat und ganz besonders bevorzugt aus Homo- oder Copolymerisaten des Methyl ethacrylats bestehen und die beispielsweise in Form von Folien oder Platten eingesetzt werden, werden beispielsweise durch die Polymerisation von Gießharzen in Form von Monomer- Polymer-Systemen in Formen oder durch Extrusion mit anschließender Glättung der Oberfläche hergestellt.
Die funktionellen Schichten an den außenliegenden Oberflächen der Substratschichten (1) und (1**) der Verbundsysteme VS, die in der Hauptsache der Vermeidung von Verunreinigungen oder von Verkratzungen, die die Lichtausbeute am Energiegewinnungselement (5) reduzieren, dienen, werden mit den bekannten Verfahren, wie beispielsweise Rakelauftrag, Bürstenauftrag, oder Reverse- Roll-Coating, aufgebracht.
Vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
Im Vergleich zu den Systemen des Standes der Technik zur Gewinnung von Solarenergie zeichnen sich die erfindungs¬ gemäßen Verbundsysteme VS durch einen hohen Schutz gegen Beschädigung aus, wie beispielsweise gegen Stoß, Deformation oder Diebstahl.
Gegenüber den in DE-A 42 19 075 beschriebenen Systemen haben die Verbundsysteme den Vorteil einer höheren Korrosionsbeständigkeit, insbesondere an der Grenzfläche zwischen Substratkunststoff TK und Energiegewinnungs- element (5) . Ein korrosionsauslösender Faktor, die Bildun von Mikrorissen an den oben genannten Grenzflächen durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffiziente der Energiegewinnungselemente (5) und des Substrat¬ kunststoffs TK, wird durch die Einlagerung der Energiegewinnungselemente (5) im Schichtverbund (2) zwischen den Schichten (3) und (3') aus dem elastischen Kunststoff VK praktisch ausgeschlossen. Weiterhin sind di gemäß Fig. 1 an einer Seite der Substratschicht (1) angebrachten Energiegewinnungselemente (5) durch die Schicht (3') auch gegen Beschädigung geschützt. Die besonders bevorzugt als Kunststoffe VK eingesetzten Ethylen-Vinylacetat-Copolymerisate können beispielsweise während des Heißla inierungsprozesses, bei dem die Phasengrenzen zwischen den Schichten (4), (3) und (3'), wenn vorhanden, weitestgehend aufgehoben werden, noch nachträglich chemisch vernetzt werden, was den Schichtverbund (2) noch beständiger gegen Beschädigung macht. Dabei ist eine solche thermisch induzierte Nachvernetzung im Schichtverbund (2) nicht auf Ethylen- Vinylacetat-Copolymerisate beschränkt.
Weiterhin von Vorteil ist die erleichterte Entfernbarkeit von Verunreinigungen, wie Stäube, rußartige Ablagerungen oder Wassertropfen, die die Lichtausbeute am Energiegewinnungselement (5) drastisch reduzieren können und die bei direkter Ablagerung auf dem Energiegewinnungs element (5) praktisch nicht ohne dessen Beschädigung entfernbar sind. Durch die Anwesenheit funktioneller Schichten an den Oberflächen der Substratschichten (1) un (1') wird dieser Vorteil weiter verstärkt. Bei Anordnung von mehreren Photoelementen als Energie¬ gewinnungselemente (5) hat das erfindungsgemäße Verbund- system VS den nicht unerheblichen Vorteil, daß die elektrisch leitenden Verbindungen der Photoelemente, die im allgemeinen sehr feine Drähte oder Leiterbahnen sind, effektiv durch den Verbund VS geschützt sind. Die Verbundsysteme VS eigenen sich hervorragend als Module für die dezentrale Stromversorgung, beispielsweise an Bus¬ oder Bahnhaltestellen, an Fassaden, an Informationstafeln oder an Lichtwerbewänden. Dabei sind die Verbundsysteme VS vorzugsweise mit Akkumulatoren für elektrische Energie gekoppelt, die die durch die Energiegewinnungselemente (5) produzierte und danach gespeicherte elektrische Energie bei Dunkelheit, in der die Energiegewinnungselemente (5) nicht oder nur mit geringer Effizienz Energie liefern, abgeben.
Eine weitere vorteilhafte Anwendung der erfindungsgemäßen Verbundsysteme VS ist die Kombination mit Energiespar¬ lampen, die in gleichmäßig ausgeleuchteten Verbundsystemen integriert sind, wie beispielsweise in den DE-Gb 93 16 096.8, 93 18 263.3 oder 94 15 950.5 beschrieben. Desweiteren sind die Verbundsysteme VS als integrierte Elemente in Lärmschutzwänden verwendbar, wobei von großem Vorteil neben der Energiegewinnung die hohe Bruchfestig¬ keit der Verbundsysteme VS ist, die durch den Schichtver¬ bund (2) aus elastischem Kunststoff VK bedingt ist und die die Bruchfestigkeit von Verbundsystemen ohne den Schicht¬ verbund (2) deutlich übertrifft.
Damit werden beispielsweise Lärmschutzwände, Verglasungen, Wartestationen u.a. sehr gut gegen Beschädigungen, beispielsweise durch Vandalismus oder durch Hagelschlag, geschützt.
Die folgenden Beispiele sollen die Erfindung veranschau¬ lichen. BEISPIELE
Beispiel 1:
Vorbehandlung der Substratschichten (1) und (1') mit Primer
Als Substratschichten (1) und (1') werden Platten aus PLEXIGLAS ® GS233 (Fa. Röh ) mit den Abmessungen 300 x 20 x 3 (Länge x Breite x Höhe) verwendet. Diese Platten werden an der Seite, die mit dem Schichtverbund (2) verklebt werden soll, mit einer 6 Gew.-%igen Lösung eines Hydroxyl-Polyurethans in einem Lösungsmittelgemisch aus 5 Gew.-Teilen Butylacetat, 20 Gew.-Teilen Aceton und 20 Gew.-Teilen Methoxypropanol (Handelsprodukt "Grundierung 60" der Fa. Röhm GmbH) durch Aufsprühen und anschließende Trocknen beschichtet.
Beispiel 2
Herstellung des erfindungsgemäßen Verbundsystems VS
Ein leitender Verbund aus 9 Photzellen (5) mit den Abmessungen 100 x 25 x 0,4 mm (Länge x Breite x Höhe) wir zwischen zwei Folien (3) und (3') aus Ethylen-Vinylacetat Copolymerisat (ELVAX ® 485 der Fa. BP Chemical) mit einer Dicke von 0,5 mm gebracht und zwischen die Substratschichten (1) und (1') gemäß Beispiel 1 eingelegt, wobei die mit dem Primer versehenen Klebeflächen der Substratschichten (1) und (1') jeweils mit den Folien (3) und (3') in Kontakt gebracht werden. Danach werden die Verbünde bei Temperaturen von 150 bis 155 Grad C an der Oberfläche des Schichtverbunds (2) sowie an den Klebeflächen der Substratschichten (l) und (1') unter Anwendung eines Drucks von 1 bar laminiert. Während der Drucklaminierung tritt in den Schichten (3) bzw. (3') aus Ethylen-Vinylacetat-Copoly erisat eine Vernetzung ein. Dabei wird ein blasenfreier, transparenter Verbund der Schichten (3) und (3') ohne Phasengrenzen zwischen den Schichten (4), (3) und (3') mit den Photozellen (5) einerseits und mit den Substratschichten (1) und (l') andererseits erreicht.
Das solchermaßen hergestellte Verbundsystem VS kann zur Wandlung von Solarenergie in elektrische Energie eingesetzt werden und erfüllt die Tests der Norm IEC 503 für die Funktionsfähigkeit von Solarmodulen (voller Erhalt der Funktionsfähigkeit nach 10 Bewitterungszyklen: 0,5 Stunden bei -40 Grad C, 20 Stunden Aufheizen auf 85 Grad C/85 % i.F. und nach Lagerung über 1000 Stunden bei 85 Grad C und 85 % rel. Feuchte).

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Verbundsysteme VS aus mindestens einer Substrat¬ schicht (Fig. 1, 1) aus einem harten transparenten Kunststoff TK und einem an der Substratschicht (1) fest haftenen Schichtverbund (2),
dadurch gekennzeichnet,
daß der Schichtverbund (2) aus einem elastischen, transparenten Kunststoff VK mit einem Elastizitätsmodul nach DIN ISO 527 von maximal 1000 MPa und darin enthaltenen Energiegewinnungselementen (5) , die die Solarenergie in andere Energieformen wandeln, aufgebaut ist.
2. Verbundsysteme VS gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Schichtverbund (2) keine Phasengrenzen zwischen den Schichten (4) , (3) und (3') vorhanden sind.
3. Verbundsysteme VS gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß Fig. 2 mindestens eine zweite Substratschicht (1') solchermaßen angeordnet ist, daß der Schicht¬ verbund (2) zwischen den Substratschichten (1) und (l') angeordnet ist. 4. Verbundsysteme VS gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß gemäß Fig. 3 und Fig.
4 der Schichtverbund (2) von den Substratschichten (1) und (1') beziehungsweise von der Substratschicht (1) vollständig umschlossen ist.
5. Verbundsysteme VS gemäß den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Substratschicht (1) in Fig. 1 und Fig. 4 beziehungsweise die Substratschichten (1) und (1') in Fig. 2 und Fig. 3 an ihren freiliegenden Oberflächen weitere transparente funktionelle Schichten aufweisen.
6. Verbundsysteme VS gemäß den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiege¬ winnungselemente (5) Photozellen sind, die gegebenenfalls mit elektrischen Leiterbahnen verbunden sind.
7. Verbundsysteme VS gemäß den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elastischen, transparenten Kunststoffe VK aus der Gruppe der physikalisch und/oder chemisch vernetzten Elastomere ausgewählt sind.
8. Verbundsysteme VS gemäß den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die harten, transparenten Kunststoffe TK Vicat-Erweichungs- temperaturen nach ISO 306 von mindestens
60 Grad C und Lichttransmissionen Dg5 nach DIN 5033/5036 von mindestens 85 % aufweisen.
9. Verbundsysteme VS gemäß den Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrat¬ schichten (1) bzw. (l, 1') an den mit dem Schichtverbund (2) in Kontakt kommenden Oberflächen mit Haftvermittlern versehen sind.
10. Verbundsysteme VS gemäß den Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Substrat¬ schichten (1, 1') aus Kunststoffen TK bestehen, ausgewählt aus der Gruppe aus Polycarbonat sowie Homo- oder Copolymerisate des
Methylmethacrylats.
11. Verwendung der Verbundsysteme gemäß den Ansprüchen 1 bis 10 als Module für die Wandlung von Solarenergie in andere Energieformen zur dezentralen Energieversorgung.
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