WO2009047223A2 - Photovoltaikmodule mit weichmacherhaltigen folien geringer feuchtigkeitsaufnahme - Google Patents

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WO2009047223A2
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Uwe Keller
Martin Steuer
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Kuraray Europe Gmbh
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Definitions

  • the invention relates to the production of photovoltaic modules using plasticized films based on polyvinyl acetal low moisture absorption.
  • Photovoltaic modules consist of a photosensitive semiconductor layer, which is provided to protect against external influences with a transparent cover.
  • a photosensitive semiconductor layer monocrystalline solar cells or polycrystalline, thin semiconductor layers can be used on a support.
  • Thin-film solar modules consist of a photosensitive semiconductor layer coated on a mostly transparent plate, e.g. by vapor deposition, vapor deposition, sputtering or wet deposition is applied.
  • Both systems are typically sandwiched between a pane of glass and a rigid, rear cover plate, e.g. laminated from glass or plastics using a transparent adhesive.
  • the transparent adhesive must completely enclose the photosensitive semiconductor layer and its electrical connection lines, be UV-stable and insensitive to moisture and be completely bubble-free after the lamination process.
  • thermosetting adhesive systems are the use of plasticized films based on polyvinyl acetals, such as the polyvinyl butyral (PVB) known from the manufacture of laminated glass.
  • PVB polyvinyl butyral
  • PVB films Processes for the production of solar modules by means of PVB films are, for. Example by DE 40 26 165 C2, DE 42 278 60 Al, DE 29 237 70 C2, DE 35 38 986 C2 or US 4,321,418.
  • the use of PVB films in solar modules as composite safety glazings is known e.g. in DE 20 302 045 Ul, EP 1617487 Al, and DE 35 389 86 C2 discloses.
  • these documents contain no information about the mechanical, chemical and electrical properties of the PVB films used.
  • the electrical properties of the adhesive films are becoming increasingly important as the performance of the photosensitive semiconductor layers and the global spread of solar modules increases. Charge losses or even Short circuits of the semiconductor layer must be avoided even under extreme weather conditions such as tropical temperatures, high humidity or strong UV radiation over the entire life of the module. Photovoltaic modules are subjected to a multitude of tests according to CEI 61215 (damp heat test, wet leakage current test) in order to reduce the leakage currents of the modules.
  • Edge area of the photovoltaic module are the films as
  • the water content of the films can increase sharply and assume values up to the equilibrium moisture content (about 3% by weight).
  • the increased water content in the edge region of the film greatly reduces their electrical resistance in this area.
  • the photosensitive semiconductor layers can not penetrate to the periphery of the
  • Adhesive films for photovoltaic modules should therefore have the lowest possible moisture absorption.
  • the object of the present invention is therefore to provide plasticized films based on polyvinyl acetal with low moisture absorption for the production of photovoltaic modules.
  • films based on plasticized polyvinyl acetals with low Polyvinyl alcohol content have a sufficiently low moisture absorption.
  • plasticizers of low polarity can be used, which further increases the moisture resistance of the films.
  • Photovoltaic modules comprising a laminate of a) a transparent front cover b) one or more photosensitive semiconductor layers c) at least one plasticized polyvinyl acetal based film and d) a back cover wherein the polyvinyl acetal has a polyvinyl alcohol content of less than 20% by weight.
  • Foils suitable for the production of photovoltaic modules preferably also have moisture contents or water contents of at most 2.3% by weight, at most 2.0% by weight, at most 1.8% by weight and particularly preferably at most 1, under humid conditions in the edge region. 5% by weight.
  • the edge area is considered to be a range of up to 3 cm from the edge of the module. In this area, the film absorbs moisture over the open edge, with the moisture content inside the module decreasing in a diffusion-controlled manner.
  • Photovoltaic modules with films of this type can be covered very close to the edge of the film with photosensitive semiconductor layers and thus have an increased area and current efficiency.
  • Polyvinyl acetal films having an increased glass transition temperature Tg also have an increased resistivity. Without being bound by the theory, this is attributed to decreased ion mobility in a glassy or highly viscous environment.
  • the films used according to the invention c) further preferably have a glass transition temperature Tg of at least 20 0 C, 22 0 C, 24 0 C, 26 0 C, 27 ° C, 30 ° C or 35 ° C.
  • the maximum limit for the glass transition temperature Tg 40 0 C can be specified.
  • the films used according to the invention preferably have a specific resistance of at least 1E + 11 ohm.cm, preferably at least 5E + 11 ohm.cm, preferably 1E + 12 ohm.cm, preferably 5E + 12 ohm * cm, preferably 1E + 13, preferably 5E + 13 ohm * cm, preferably 1E + 14 ohm * cm. These values should be reached at each point of the film, especially at the edge of the module.
  • the films based on plasticized polyvinyl acetal preferably contain uncrosslinked polyvinyl butyral (PVB), which is obtained by acetalization of polyvinyl alcohol with butyraldehyde.
  • PVB polyvinyl butyral
  • crosslinked polyvinyl acetals especially crosslinked polyvinyl butyral (PVB) is also possible.
  • Suitable crosslinked polyvinyl acetals are e.g. in EP 1527107 Bl and WO 2004/063231 Al (thermal self-crosslinking of polyvinyl acetals containing carboxyl groups), EP 1606325 A1 (polyvinyl acetals crosslinked with polyaldehydes) and WO 03/020776 A1 (polyvinyl acetals crosslinked with glyoxylic acid).
  • EP 1527107 Bl and WO 2004/063231 Al thermal self-crosslinking of polyvinyl acetals containing carboxyl groups
  • EP 1606325 A1 polyvinyl acetals crosslinked with polyaldehydes
  • WO 03/020776 A1 polyvinyl acetals crosslinked with glyoxylic acid
  • polyvinyl alcohol may also be hydrolyzed from terpolymers Vinyl acetate / ethylene copolymers are used. These compounds are usually hydrolyzed to more than 98% and contain 1 to 10 wt. Based on ethylene units (eg type "Exceval” Kuraray Europe GmbH).
  • polyvinyl acetals also contain units resulting from vinyl acetate and vinyl alcohol.
  • the polyvinyl acetals used according to the invention preferably have a polyvinyl alcohol content of less than 18% by weight, less than 16% by weight or in particular less than 14% by weight. A polyvinyl alcohol content of 12% by weight should not be exceeded.
  • the polyvinyl acetate content is preferably below 5% by weight, preferably below 3% by weight and in particular below 2% by weight. From the polyvinyl alcohol content and the residual acetate content, the degree of acetalization can be determined by calculation.
  • the moisture resistance and the glass transition temperature Tg of plasticized films based on polyvinyl acetal is additionally determined by the proportion and the polarity or the plasticizing effect of the plasticizer used.
  • the moisture absorption and the resistivity of the film can also be adjusted in a simple manner via the plasticizer.
  • the films have a plasticizer content of at most 26% by weight, more preferably of at most 24% by weight and in particular of not more than 22% by weight, with a plasticizer content of 15% by weight not being exceeded for reasons of processability of the film.
  • Inventive films or photovoltaic modules may contain one or more plasticizers.
  • Particularly suitable according to the invention are plasticizers whose polarity, expressed by the formula: 100 ⁇ O / (C + H) is less than or equal to 9.4, where O, C and H are the number of oxygen, carbon and hydrogen atoms in the respective molecule.
  • the following table shows plasticizers which can be used according to the invention and their polarity values according to the formula 100 ⁇ O / (C + H).
  • adhesion of Polyvinylacetalfolien to glass is usually by the addition of adhesion regulators such.
  • adhesion regulators such as set forth in WO 03/033583
  • polyvinyl acetals from the production process often contain alkali metal and / or alkaline earth salts of inorganic acids, such as sodium chloride.
  • plasticized polyvinyl acetal based films at less than 50 ppm, more preferably at less than 30 ppm, and most preferably at less than 20 ppm metal ions, is desirable. This can be accomplished by appropriate washing of the polyvinyl acetal and by the use of particularly effective anti-adherents such as the magnesium, calcium and / or zinc salts of organic acids (e.g., acetates) known to those skilled in the art.
  • particularly effective anti-adherents such as the magnesium, calcium and / or zinc salts of organic acids (e.g., acetates) known to those skilled in the art.
  • the plasticizer-containing films based on polyvinyl acetal preferably contain 0.001 to 15% by weight, preferably 2 to 5% by weight, of pyrogenic SiO 2.
  • the lamination of the photovoltaic modules takes place with fusion of the films, so that bubble-free and schlierenoker inclusion of the photosensitive semiconductor layer is obtained with the films.
  • the photosensitive semiconductor layers are applied to the cover d) (for example by vapor deposition, Vapor deposition, sputtering or wet separation) and by a film c) with the cover a) glued.
  • the photosensitive semiconductor layers can be embedded between two films c) and thus bonded to the covers a) and d).
  • the thickness of the plasticized polyvinyl acetal-based films is usually 0.38, 0.51, 0.76, 1.14, 1.52 or 2.28 mm.
  • Films used according to the invention fill out the cavities present on the photosensitive semiconductor layers or their electrical connections during the laminating process.
  • the transparent front cover a) is usually made of glass or PMMA.
  • the back cover (so-called backsheet) a) of the photovoltaic module according to the invention can consist of glass, plastic or metal or their composites, wherein at least one of the carriers can be transparent. It is also possible to use one or both of the covers as composite glazing (i.e., as a laminate of at least two sheets of glass and a PVB sheet) or as insulating glazing with a gas gap. Of course, the combination of these measures is possible.
  • the photosensitive semiconductor layers used in the modules need not have any special properties. Mono-, polycrystalline or amorphous systems can be used.
  • the photosensitive semiconductor layer is applied directly to a carrier.
  • a Encapsulation is not possible here. Therefore, the laminate of a support (eg, the back cover) with the photosensitive semiconductor layer and the transparent front cover is collapsed by at least one interposed plasticized polyvinyl acetal based film of the present invention and adhered thereto at an elevated temperature.
  • the photosensitive semiconductor layer may be applied to the transparent front cover as a carrier and adhered to the back cover by at least one interposed plasticized polyvinyl acetal based film of the present invention.
  • vacuum laminators are used to produce the photovoltaic modules according to the invention. These consist of a heatable and evacuable chamber in which
  • Laminated glazing can be laminated within 30 - 60 minutes. Reduced pressures of 0.01 to 300 mbar and
  • Temperatures of 100 to 200 0 C, in particular 130 - 160 0 C have proven in practice.
  • a laminated body thus described above between at least one pair of rollers at a temperature of 60 to 150 0 C to a module according to the invention be pressed.
  • Systems of this type are known for the production of laminated glazing and usually have at least one heating tunnel before or after the first press shop in systems with two pressing plants.
  • the invention furthermore relates to the use of plasticized polyvinyl acetal-based films wherein the polyvinyl acetal has a polyvinyl alcohol content of less than 20% by weight for the production of photovoltaic modules.
  • Inventive photovoltaic modules can be used as a facade component, roofs, conservatory cover, soundproof wall, balcony or parapet or as part of windows.
  • the determination of the glass transition temperature of the film is effected by means of differential scanning calorimetry (DSC) according to DIN 53765 using a heating rate of 10K / min in the temperature interval -50 0 C - 150 0 C. It is a first heating ramp, followed by a cooling ramp, followed by a second Heating ramp driven.
  • the position of the glass transition temperature is determined on the measurement curve of the second heating ramp according to DIN 51007.
  • the DIN mid-point (Tg DIN) is defined as the intersection of a horizontal line at half-step height with the measured curve.
  • the step height is defined by the vertical distance of the two points of intersection of the central tangent with the baseline of the trace before and after glass transition.
  • melt index mass flow: MFR
  • ISO 1133 mass flow: MFR
  • MFR melt index
  • ISO 1133 centimeter flow: MFR
  • MFR value is given at 100 ° C. and 140 ° C. with the 2 mm nozzle at a weight load of 21.6 kg in grams per 10 minutes (g / 10 min).
  • the measurement of the volume resistivity of the film is carried out in accordance with DIN IEC 60093 at a defined temperature and ambient humidity (23 0 C and 85% RH) after the film was conditioned at these conditions at least 24 hours.
  • a plate electrode type 302 132 from Fetronic GmbH and an ohmmeter ISO-Digi 5 kV from Amprobe were used.
  • the test voltage was 2.5kV, the waiting time after application of the test voltage up to the data acquisition 60 sec.
  • the polyvinyl alcohol and polyvinyl alcohol acetate content of the polyvinyl acetals was determined according to ASTM D 1396-92.
  • the analysis of the metal ion content was carried out by atomic absorption spectroscopy (AAS).
  • the water or moisture content of the films is determined by the Karl Fischer method. To simulate the moistening behavior under humid conditions, the film is previously stored for 24 hours at 23 ° C. and 85% RH. The method can be carried out both on the unlaminated film and on a laminated photovoltaic module as a function of the distance to the edge of the film.
  • DOA di-2-ethylhexyl adipate DOP di-2-ethylhexyl phthalate DHA dihexyl adipate DBS dibutyl sebacate DBES di-2-butoxyethyl sebacate DINCH 1,2 diisononyl cyclohexanedicarboxylate
  • a reduction in the polyvinyl alcohol content in the PVB causes a significant increase in the specific resistance. This can be further improved besides increasing fluidity by using low polarity plasticizers.
  • plasticizer it is also possible to obtain films having a standard Tg of more than 20 ° C., which have sufficient flexibility for encapsulating solar cells or the electrical connections.

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Abstract

Die Erfindung betrifft die Verwendung von weichmacherhaltigen, auf Polyvinylacetal basierenden Folien mit einem Polyvinylalkoholanteil von weniger als 20 Gew.% zur Herstellung von Photovoltaikmodulen. Die Folien weisen bevorzugt eine Glasübergangstemperatur Tg von mindestens 20 °C und/oder einen Weichmachergehalt von maximal 26 Gew.% auf.

Description

Beschreibung
Photovoltaikmodule mit weichmacherhaltigen Folien geringer Feuchtigkeitsaufnahme
Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft die Herstellung von Photovoltaikmodulen unter Verwendung von weichmacherhaltigen Folien auf Basis von Polyvinylacetal geringer Feuchtigkeitsaufnahme.
Stand der Technik
Photovoltaikmodule bestehen aus einer photosensitiven Halbleiterschicht, die zum Schutz gegen äußere Einflüsse mit einer transparenten Abdeckung versehen wird. Als photosensitive Halbleiterschicht können monokristalline Solarzellen oder polykristalline, dünne Halbleiterschichten auf einem Träger eingesetzt werden. Dünnschicht-Solarmodule bestehen aus einer photosensitiven Halbleiterschicht, die auf eine meist transparente Platte z.B. durch Aufdampfen, Gasphasenabscheidung, Sputtern oder Nassabscheidung aufgebracht ist.
Beide Systeme werden in der Regel zwischen eine Glasscheibe und eine rigide, hintere Abdeckplatte z.B. aus Glas oder Kunststoffen mit Hilfe eines transparenten Klebers laminiert.
Der transparente Kleber muss die photosensitive Halbleiterschicht und deren elektrische Verbindungsleitungen vollständig umschließen, UV-stabil und Feuchtigkeitsunempfindlich sein und nach dem Laminierprozess vollständig blasenfrei sein.
Als transparente Kleber werden häufig aushärtende Gießharze oder vernetzbare, auf Ethylenvinylacetat (EVA) basierende Systeme eingesetzt, so wie beispielsweise in DE 41 22 721 Cl oder DE 41 28 766 Al offenbart. Diese Klebesysteme können im ungehärteten Zustand so niedrigviskos eingestellt werden, dass sie die Solarzelleneinheiten blasenfrei umschließen. Nach Zugabe eines Härters oder Vernetzungsmittels wird eine mechanisch widerstandfähige Klebeschicht erhalten. Nachteilig bei diesen Klebesystemen ist, dass beim Aushärteprozess häufig aggressive Substanzen wie Säuren freigesetzt werden, die die photosensitiven Halbleiterschichten, insbesondere Dünnschichtmodule, zerstören können. Zudem neigen einige Gießharze nach einigen Jahren zur Blasenbildung bzw. Delamination durch UV-Strahlung.
Eine Alternative zu aushärtenden Klebesystemen ist der Einsatz von weichmacherhaltigen Folien auf Basis von Polyvinylacetalen wie das aus der Verbundglasherstellung bekannte Polyvinylbutyral (PVB) . Die Solarzelleneinheiten werden mit einer oder mehreren PVB-Folien bedeckt und diese unter erhöhtem Druck und erhöhter Temperatur mit den gewünschten Abdeckmaterialien zu einem Laminat verbunden.
Verfahren zur Herstellung von Solarmodulen mit Hilfe von PVB- Folien sind z. B. durch DE 40 26 165 C2, DE 42 278 60 Al, DE 29 237 70 C2, DE 35 38 986 C2 oder US 4,321,418 bekannt. Die Verwendung von PVB-Folien in Solarmodulen als Verbund- sicherheitsverglasungen ist z.B. in DE 20 302 045 Ul, EP 1617487 Al, und DE 35 389 86 C2 offenbart. Diese Schriften enthalten aber keine Information über die mechanischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften der verwendeten PVB- Folien .
Insbesondere die elektrischen Eigenschaften der Klebefolien werden mit zunehmender Leistungsfähigkeit der photosensitiven Halbleiterschichten und der weltweiten Verbreitung von Solarmodulen immer wichtiger. Ladungsverluste oder gar Kurzschlüsse der Halbleiterschicht müssen auch unter extremen Witterungsbedingungen wie tropische Temperaturen, hohe Luftfeuchtigkeit oder starke UV-Strahlung über die gesamte Lebensdauer des Moduls vermieden werden. Photovoltaikmodule werden nach CEI 61215 einer Vielzahl von Tests unterzogen (Damp heat test, wet leakage current test) um Verlustströme der Module zu reduzieren.
Es ist bekannt, dass der elektrische Widerstand von PVB-Folien mit steigendem Feuchtegehalt steil abfällt, was das Auftreten von Leckströmen in Photovoltaikmodulen stark begünstigt. Im
Randbereich des Photovoltaikmoduls sind die Folien als
Einkapselungsmaterial offen hohen Umgebungsfeuchten ausgesetzt.
Hier kann der Wassergehalt der Folien stark zunehmen und Werte bis zur Gleichgewichtsfeuchte (ca. 3 Gew.%) annehmen. Der erhöhte Wassergehalt im Randbereich der Folie reduziert deren elektrischen Widerstand in diesem Bereich stark. Der
Wassergehalt nimmt zwar zur Folienmitte wieder ab, aber zur
Vermeidung von Leckströmen können die photosensitiven Halbleiterschichten daher nicht bis in den Randbereich der
Folie bzw. des Moduls verlegt werden. Dies reduziert die
Flächenbelegung und damit die Stromausbeute des Moduls.
Klebefolien für Photovoltaikmodule sollen daher eine möglichst geringe Feuchtigkeitsaufnahme aufweisen.
Aufgabe
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, weichmacherhaltige Folien auf Basis von Polyvinylacetal mit geringer Feuchtigkeitsaufnahme zur Herstellung von Photovoltaikmodulen bereit zu stellen.
Es wurde gefunden, dass Folien basierend auf weichmacherhaltigen Polyvinylacetalen mit niedrigem Polyvinylalkoholgehalt eine ausreichend geringe Feuchtigkeitsaufnahme aufweisen. Zusätzlich können Weichmacher niedriger Polarität verwendet werden, was die Feuchteresistenz der Folien noch weiter erhöht.
Darstellung der Erfindung
Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind daher
Photovoltaikmodule, umfassend ein Laminat aus a) einer transparenten Frontabdeckung b) einer oder mehreren photosensitiven Halbleiterschichten c) mindestens eine weichmacherhaltige, auf Polyvinylacetal basierenden Folie und d) einer rückwärtigen Abdeckung wobei das Polyvinylacetal einen Polyvinylalkoholanteil von weniger als 20 Gew.% aufweist.
Zur Herstellung von Photovoltaikmodulen geeignete Folien weisen bevorzugt auch unter humiden Bedingungen im Randbereich Feuchte- bzw. Wassergehalte von maximal 2,3 Gew.%, maximal 2,0 Gew.%, maximal 1,8 Gew.% und besonders bevorzugt von maximal 1,5 Gew.% auf. Als Randbereich wird ein Bereich von bis zu 3 cm ab der Modulkante angesehen. In diesem Bereich nimmt die Folie Feuchtigkeit über die offene Kante auf, wobei der Feuchtigkeitsgehalt im inneren des Moduls diffusionskontrolliert abnimmt. Photovoltaikmodule mit Folien dieser Art können sehr nahe an den Folienrand mit photosensitiven Halbleiterschichten belegt werden und weisen damit eine erhöhte Flächen- und Stromausbeute auf.
Polyvinylacetal-Folien mit einer erhöhten Glasübergangstemperatur Tg weisen ebenfalls einen erhöhten spezifischen Widerstand auf. Ohne an die Richtigkeit der Theorie gebunden zu sein, wird dies auf eine verminderte Ionenbeweglichkeit in einer glasähnlichen oder hochviskosen Umgebung zurückgeführt. Zur Herstellung von Photovoltaikmodulen weisen die erfindungsgemäß eingesetzten Folien c) weiterhin bevorzugt eine Glasübergangstemperatur Tg von jeweils mindestens 200C, 22 0C, 24 0C, 26 0C, 27 °C, 30 °C oder 35°C auf. Als Höchstgrenze für die Glasübergangstemperatur Tg kann 400C angegeben werden.
Bevorzugt weisen die erfindungsgemäß eingesetzten Folien bei einer Umgebungsfeuchte von 85% rF bei 23°C einen spezifischen Widerstand von mindestens 1E+11 ohm*cm, bevorzugt mindestens 5E+11 ohm*cm, bevorzugt 1E+12 ohm*cm, bevorzugt 5E+12 ohm*cm, bevorzugt 1E+13, bevorzugt 5E+13 ohm*cm, bevorzugt 1E+14 ohm*cm auf. Diese Werte sollten an jeder Stelle der Folie erreicht werden, insbesondere im Randbereich des Moduls.
Die auf weichmacherhaltigem Polyvinylacetal basierenden Folien enthalten bevorzugt unvernetztes Polyvinylbutyral (PVB), das durch Acetalisierung von Polyvinylalkohol mit Butyraldehyd gewonnen wird.
Der Einsatz von vernetzten Polyvinylacetalen, insbesondere vernetztem Polyvinylbutyral (PVB) ist ebenso möglich. Geeignete vernetzte Polyvinylacetale sind z.B. in EP 1527107 Bl und WO 2004/063231 Al (thermische Selbstvernetzung von Carboxylgruppenhaltigen Polyvinylacetalen), EP 1606325 Al (mit Polyaldehyden vernetzte Polyvinylacetale) und WO 03/020776 Al (mit Glyoxylsäure vernetzte Polyvinylacetale) beschrieben. Auf die Offenbarung dieser Patentanmeldungen wird vollumfänglich Bezug genommen.
Es ist auch möglich, die Acetalisierung mit anderen oder weiteren Aldehyden mit 5-10 Kohlenstoffatomen (z.B. wie Valeraldehyd) durchzuführen.
Als Polyvinylalkohol können im Rahmen der vorliegenden Erfindung auch Terpolymere aus hydrolysierten Vinylacetat/Ethylen-Copolymeren eingesetzt werden. Diese Verbindungen sind in der Regel zu mehr als 98% hydrolysiert und enthalten 1 bis 10 Gew. auf Ethylen basierende Einheiten (z.B. Typ „Exceval" der Kuraray Europe GmbH) .
Polyvinylacetale enthalten neben den Acetaleinheiten noch aus Vinylacetat und Vinylalkohol resultierende Einheiten. Die erfindungsgemäß verwendeten Polyvinylacetale weisen bevorzugt einen Polyvinylalkoholanteil von weniger als 18 Gew.%, weniger als 16 Gew.% oder insbesondere weniger als 14 Gew.% auf. Ein Polyvinylalkoholanteil von 12 Gew.% sollte nicht unterschritten werden .
Der Polyvinylacetatanteil liegt bevorzugt unter 5 Gew.%, bevorzugt unter 3 Gew.% und insbesondere unter 2 Gew.% Aus dem Polyvinylalkoholanteil und dem Restacetatgehalt kann der Acetalisierungsgrad rechnerisch ermittelt werden.
Die Feuchteresistenz und die Glasübergangstemperatur Tg von weichmacherhaltigen Folien auf Basis von Polyvinylacetal wird zusätzlich vom Anteil und der Polarität bzw. der weichmachenden Wirkung des verwendeten Weichmachers bestimmt. Somit kann die Feuchteaufnahme und der spezifische Widerstand der Folie auch in einfacher Weise über den Weichmacher eingestellt werden.
Bevorzugt weisen die Folien einen Weichmachergehalt von maximal 26 Gew.%, besonders bevorzugt von maximal 24 Gew.% und insbesondere von maximal 22 Gew.% auf, wobei ein Weichmachergehalt von 15 Gew.% aus Gründen der Verarbeitbarkeit der Folie nicht unterschritten werden sollte. Erfindungsgemäße Folien bzw. Photovoltaikmodule können einen oder mehrere Weichmacher enthalten. Erfindungsgemäß besonders geeignet sind Weichmacher, deren Polarität, ausgedrückt durch die Formel 100 x O/ (C+H) kleiner/gleich 9.4 ist, wobei O, C und H für die Anzahl der Sauerstoff-, Kohlenstoff- und Wasserstoffatome im jeweiligen Molekül steht. Die nachfolgende Tabelle zeigt erfindungsgemäß einsetzbare Weichmacher und deren Polaritätswerte nach der Formel 100 x O/ (C+H) .
Name Abkürzung 100 x O/ (C+H) Di-2-ethylhexylsebacat ( DOS ) 5 , 3
Di-2-ethylhexyladipat ( DOA) 6 , 3
Di-2-ethylhexylphthalat ( DOP ) 6 , 5
Dihexyladipat ( DHA) 7 , 7
Dibutylsebacat ( DBS ) 7 , 7 Di-2-butoxyethylsebacat ( DBES ) 9 , 4
Triethylenglykol-bis-2-ethylhexanoat ( 3G8 ) 9 , 4
1,2 Cyclohexandicarbonsäurediisononylester (DINCH) 5,4
Weniger geeignet sind die folgenden Weichmacher
Name Abkürzung 100 x O/ (C+H)
Triethylenglykol-bis-n-heptanoat 3G7 10,3
Tetraethylenglykol-bis-n-heptanoat 4G7 10,9
Di-2-butoxyethyladipat DBEA 11,5 Di-2-butoxyethoxyethyladipat DBEEA 12,5
Das Haftungsvermögen von Polyvinylacetalfolien an Glas wird üblicherweise durch die Zugabe von Haftungsregulatoren wie z. B. die in WO 03/033583 Al offenbarten Alkali- und/oder Erdalkalisalze von organischen Säuren eingestellt. Als besonders geeignet haben sich Kaliumacetat und/oder Magnesiumacetat herausgestellt. Zudem enthalten Polyvinylacetale aus dem Herstellungsprozess häufig Alkali- und/oder Erdalkalisalze von anorganischen Säuren, wie z.B. Natriumchlorid.
Da Salze ebenfalls einen Einfluss auf den spezifischen Widerstand haben, ist der Einsatz von weichmacherhaltigen, auf Polyvinylacetal basierenden Folien mit weniger als 50 ppm, besonders bevorzugt mit weniger als 30 ppm und insbesondere mit weniger als 20 ppm Metallionen zweckmäßig. Dies kann durch entsprechende Waschverfahren des Polyvinylacetals und durch die Verwendung besonders gut wirkender Antihaftmittel wie die dem Fachmann bekannten Magnesium-, Calzium- und/oder Zinksalze organischer Säuren (z.B. Acetate) erreicht werden.
Weiterhin kann die möglicherweise vom Wassergehalt der Folie abhängende Ionenbeweglichkeit und damit der spezifische Widerstand durch den Zusatz von pyrogener Kieselsäure beeinflusst werden. Bevorzugt enthalten die weichmacherhaltigen, auf Polyvinylacetal basierenden Folien 0.001 bis 15 Gew.%, bevorzugt 2 bis 5 Gew.% pyrogenes Siθ2.
Die prinzipielle Herstellung und Zusammensetzung von Folien auf Basis von Polyvinylacetalen ist z. B. in EP 185 863 Bl, EP 1 118 258 Bl WO 02/102591 Al, EP 1 118 258 Bl oder EP 387 148 Bl beschrieben .
Die Laminierung der Photovoltaikmodule erfolgt unter Verschmelzung der Folien, so dass ein blasen- und schlierenfreier Einschluss der photosensitiven Halbleiterschicht mit den Folien erhalten wird.
In einer Variante der erfindungsgemäßen Photovoltaikmodule werden die photosensitiven Halbleiterschichten auf die Abdeckung d) aufgebracht (z.B. durch Aufdampfen, Gasphasenabscheidung, Sputtern oder Nassabscheidung) und durch eine Folie c) mit der Abdeckung a) verklebt.
Alternativ können die photosensitiven Halbleiterschichten zwischen zwei Folien c) eingebettet und so mit den Abdeckungen a) und d) verklebt werden.
Die Dicke der auf weichmacherhaltigem Polyvinylacetal basierenden Folien liegt üblicherweise bei 0.38, 0.51, 0.76, 1.14, 1.52 oder 2.28 mm.
Erfindungsgemäß eingesetzte Folien füllen während des Laminierprozesses die an den photosensitiven Halbleiterschichten bzw. deren elektrischen Verbindungen vorhandenen Hohlräume aus.
Die transparente Frontabdeckung a) besteht in der Regel aus Glas oder PMMA. Die rückwärtige Abdeckung (sog. Backsheet) a) des erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls kann aus Glas, Kunststoff oder Metall oder deren Verbünden bestehen, wobei mindestens einer der Träger transparent sein kann. Es ist ebenfalls möglich, einen oder beide Abdeckungen als Verbundverglasung (d. h. als Laminat aus mindestens zwei Glasscheiben und einer PVB-Folie) oder als Isolierverglasung mit einem Gaszwischenraum auszuführen. Selbstverständlich ist auch die Kombination dieser Maßnahmen möglich.
Die in den Modulen eingesetzten photosensitiven Halbleiterschichten müssen keine besonderen Eigenschaften besitzen. Es können mono-, polykristalline oder amorphe Systeme eingesetzt werden.
Bei Dünnschicht-Solarmodulen ist die photosensitive Halbleiterschicht direkt auf einen Träger aufgebracht. Eine Einkapselung ist hier nicht möglich. Daher wird der Schichtkörper aus einem Träger (z.B. der rückwärtigen Abdeckung) mit der photosensitiven Halbleiterschicht und der transparenten Frontabdeckung durch mindestens eine zwischen gelegte, auf weichmacherhaltigem Polyvinylacetal basierende erfindungsgemäße Folie zusammengelegt und durch diese bei erhöhter Temperatur verklebt. Alternativ kann die photosensitive Halbleiterschicht auf die transparente Frontabdeckung als Träger aufgebracht und mit der der rückwärtigen Abdeckung durch mindestens eine zwischen gelegte, auf weichmacherhaltigem Polyvinylacetal basierende erfindungsgemäße Folie verklebt sein.
Zur Laminierung des so erhaltenen Schichtkörpers können die dem Fachmann geläufigen Verfahren mit und ohne vorhergehende Herstellung eines Vorverbundes eingesetzt werden.
So genannte Autoklavenprozesse werden bei einem erhöhten Druck von ca. 10 bis 15 bar und Temperaturen von 130 bis 145 0C über ca. 2 Stunden durchgeführt. Vakuumsack- oder Vakuumringverfahren z.B. gemäß EP 1 235 683 Bl arbeiten bei ca. 200 mbar und 130 bis 145 0C
Vorzugsweise werden zur Herstellung der erfindungsgemäßen Photovoltaikmodule Vakuumlaminatoren eingesetzt. Diese bestehen aus einer beheizbaren und evakuierbaren Kammer, in denen
Verbundverglasungen innerhalb von 30 - 60 Minuten laminiert werden können. Verminderte Drücke von 0,01 bis 300 mbar und
Temperaturen von 100 bis 200 0C, insbesondere 130 - 160 0C haben sich in der Praxis bewährt.
Alternativ kann ein so oben beschrieben zusammengelegter Schichtkörper zwischen mindestens einem Walzenpaar bei einer Temperatur von 60 bis 150 0C zu einem erfindungsgemäßen Modul verpresst werden. Anlagen dieser Art sind zur Herstellung von Verbundverglasungen bekannt und verfügen normalerweise über mindestens einen Heiztunnel vor bzw. nach dem ersten Presswerk bei Anlagen mit zwei Presswerken.
Weiterhin ist Gegenstand der Erfindung die Verwendung von weichmacherhaltigen, auf Polyvinylacetal basierenden Folien wobei das Polyvinylacetal einen Polyvinylalkoholanteil von weniger als 20 Gew.% aufweist, zur Herstellung von Photovoltaikmodulen .
Erfindungsgemäße Photovoltaikmodule können als Fassadenbauteil, Dachflächen, Wintergartenabdeckung, Schallschutzwand, Balkonoder Brüstungselement oder als Bestandteil von Fensterflächen verwendet werden.
Messmethoden :
Die Bestimmung der Glasübergangstemperatur der Folie erfolgt mittels Dynamischer Differenzkalorimetrie (DSC) gemäß DIN 53765 unter Verwendung einer Heizrate von 10K/min im Temperaturintervall -50 0C - 1500C. Es wird eine erste Heizrampe, gefolgt von einer Kühlrampe, gefolgt von einer zweiten Heizrampe gefahren. Die Lage der Glasübergangstemperatur wird an der der zweiten Heizrampe zugehörigen Messkurve nach DIN 51007 ermittelt. Der DIN- Mittelpunkt (Tg DIN) ist definiert als Schnittpunkt einer Horizontalen auf halber Stufenhöhe mit der Messkurve. Die Stufenhöhe ist durch den vertikalen Abstand der beiden Schnittpunkte der Mitteltangente mit den Basislinien der Messkurve vor und nach Glasumwandlung definiert.
Die Bestimmung des Fließverhaltens der Folie erfolgt als Schmelzindex (Massenfluss : MFR) nach ISO 1133 auf einem entsprechenden Gerät, z.B. der Firma Göttfert, Modell MI2. Der MFR-wert wird bei 100 0C und 1400C mit der 2 mm Düse bei Gewichtsbelastung von 21,6 kg in gramm pro 10 minuten (g/10 min) angegeben.
Die Messung des spezifischen Durchgangswiderstandes der Folie erfolgt gemäß DIN IEC 60093 bei definierter Temperatur und Umgebungsfeuchte (23 0C und 85% rLF) nachdem die Folie wenigstens 24h bei diesen Bedingungen konditioniert wurde. Zur Durchführung der Messung wurde eine Plattenelektrode Typ 302 132 von der Firma Fetronic GmbH sowie ein Widerstandsmessgerät ISO-Digi 5kV von der Firma Amprobe verwendet. Die PrüfSpannung betrug 2,5kV, die Wartezeit nach Anlegen der Prüfspannung bis zur Messwerterfassung 60 sek. Damit ein ausreichender Kontakt zwischen den flachen Platten der Messelektrode und der Folie gewährleistet ist, sollte deren Oberflächenrauhikgkeit Rz bei Messung nach DIN EN ISO 4287 nicht größer als 10 μm sein, d.h. gegebenenfalls muss die Originaloberfläche der PVB-Folie vor der Widerstandsmessung durch thermisches Umprägen geglättet werden .
Der Polyvinylalkohol- und Polyvinylalkoholacetatgehalt der Polyvinylacetale wurde gemäß ASTM D 1396-92 bestimmt. Die Analyse des Metallionengehaltes erfolgte durch Atomabsorptionsspekroskopie (AAS) .
Der Wasser- bzw. Feuchtegehalt der Folien wird mit der Karl- Fischer-Methode bestimmt. Zur Simulation des Auffeuchtever- haltens unter humiden Bedingungen wird die Folie zuvor 24h bei 23 °C und 85% rF gelagert. Die Methode kann sowohl an der unlaminierten Folie als auch an einem laminierten Photovoltaikmodul in Abhängigkeit vom Abstand zum Rand der Folie durchgeführt werden.
Beispiele: Es wurden Mischungen der in der folgenden Tabelle aufgeführten Zusammensetzung hergestellt und auf ihre Glasübergangstemperatur Tg, den Ionengehalt, den Weichmacheranteil und den elektrischen Widerstand untersucht.
Es bedeuten
3G8 Triethylenglykol-bis-2-ethylhexanoat
DOS Di-2-ethylhexylsebacat
DOA Di-2-ethylhexyladipat DOP Di-2-ethylhexylphthalat DHA Dihexyladipat DBS Dibutylsebacat DBES Di-2-butoxyethylsebacat DINCH 1,2 Cyclohexandicarbonsäurediisononylester
Es zeigt sich, dass Standardfolien mit hohem Polyvinylalkoholgehalt im verwendeten PVB (VGl - VG6) einen für Photovoltaikanwendungen zu niedrigen Widerstand aufweisen.
Eine Verringerung des Polyvinylalkoholanteils im PVB (Bsp. 1 bis 20) bewirkt eine deutliche Erhöhung des spezifischen Widerstands. Dies kann, neben einer Erhöhung der Fließfähigkeit durch Verwendung von Weichmachern niedriger Polarität weiter verbessert werden.
Weiterhin können durch Auswahl und Anteil des Weichmachers auch Folien mit einem üblichen Tg von über 20 0C erhalten werden, die eine zur Verkapselung von Solarzellen oder der elektrischen Anschlüsse ausreichende Flexibilität besitzen.
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Claims

Patentansprüche
1. Photovoltaikmodul, umfassend ein Laminat aus a) einer transparenten Frontabdeckung b) einer oder mehreren photosensitiven Halbleiterschichten c) mindestens einer weichmacherhaltigen, auf Polyvinylacetal basierenden Folie und d) einer rückwärtigen Abdeckung dadurch gekennzeichnet, dass das Polyvinylacetal einen Polyvinylalkoholanteil von weniger als 20 Gew.% aufweist.
2. Photovoltaikmodul nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die weichmacherhaltigen, auf Polyvinylacetal basierenden Folien c) einen Weichmachergehalt von maximal 26 Gew.% aufweisen .
3. Photovoltaikmodul nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass das die weichmacherhaltigen, auf Polyvinylacetal basierenden Folien c) eine Glasübergangstemperatur Tg von mindestens 20 0C aufweisen
4. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass das Polyvinylacetal einen Polyvinylacetatanteil von weniger als 5 Gew.% aufweist.
5. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass als Weichmacher eine oder mehrere Verbindungen eingesetzt werden, deren Polarität, ausgedrückt durch die Formel 100 x O/ (C+H) kleiner/gleich 9.4 ist, wobei O, C und H für die Anzahl der Sauerstoff-, Kohlenstoff- und Wasserstoffatome im jeweiligen Molekül steht.
6. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass als Weichmacher eine oder mehrere Verbindungen aus der Gruppe Di-2-ethylhexylsebacat, Di-2-ethylhexyladipat, Di- 2-ethylhexylphthalat, Dihexyladipat, Dibutylsebacat, Di- 2-butoxyethylsebacat, 1,2 Cyclohexandicarbonsäure- diisononylester und Triethylenglykol-bis-2-ethylhexanoat eingesetzt wird.
7. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass die weichmacherhaltige, auf Polyvinylacetal basierende Folie weniger als 50 ppm Metallionen enthält.
8. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die weichmacherhaltige, auf Polyvinylacetal basierende Folie 0.001 bis 5 Gew.% SiO2 enthält.
9. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass als Polyvinylacetal Polyvinylbutyral eingesetzt wird
10. Verwendung von weichmacherhaltigen, auf Polyvinylacetal basierenden Folien wobei das Polyvinylacetal einen Polyvinylalkoholanteil von weniger als 20 Gew.% aufweist, zur Herstellung von Photovoltaikmodulen .
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