WO2012016732A2 - Photovoltaikmodul - Google Patents

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Uwe Clement
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Robert Bosch Gmbh
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    • H01L31/042—PV modules or arrays of single PV cells
    • H01L31/048—Encapsulation of modules
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • H10K77/00—Constructional details of devices covered by this subclass and not covered by groups H10K10/80, H10K30/80, H10K50/80 or H10K59/80
    • H10K77/10—Substrates, e.g. flexible substrates
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24—HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24S—SOLAR HEAT COLLECTORS; SOLAR HEAT SYSTEMS
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    • F24S25/60—Fixation means, e.g. fasteners, specially adapted for supporting solar heat collector modules
    • F24S2025/601—Fixation means, e.g. fasteners, specially adapted for supporting solar heat collector modules by bonding, e.g. by using adhesives
    • 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
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    • 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
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P70/00—Climate change mitigation technologies in the production process for final industrial or consumer products
    • Y02P70/50—Manufacturing or production processes characterised by the final manufactured product

Definitions

  • the invention relates to a photovoltaic module, with a photovoltaic layer, which is applied to a substrate, according to the preamble of claim 1.
  • DE 10 2007 034 252 A1 describes a photovoltaic module which comprises a substrate as support material and a photovoltaic layer applied to the substrate, comprising a base electrode directly on the surface of the substrate, an optically active layer and a cover electrode.
  • the substrate is made of paper or cardboard, which gives the substrate flexible deformability.
  • the invention has for its object to provide a simple construction and stable photovoltaic module with simple measures.
  • the photovoltaic module according to the invention has a substrate as a carrier element and an optically active photovoltaic layer applied to the substrate.
  • the substrate has a honeycomb structure, whereby the stability of the substrate and thus also of the entire photovoltaic module is significantly increased. This makes it possible to use lightweight materials for the substrate and still use them To obtain photovoltaic module with high stability. Due to the honeycomb structure, the substrate is substantially rigid and can be used for large-scale use of a plurality of cooperating, individual photovoltaic modules.
  • a photovoltaic layer is provided either per substrate, wherein a plurality of such photovoltaic modules can be interconnected, or a plurality of individual photovoltaic layers are arranged on a common, large-area substrate, in which case a plurality of photovoltaic modules can be coupled together.
  • honeycomb structure materials can be used, which would otherwise be flexibly deformable in a design as smooth layer.
  • the honeycomb structure provides such materials with sufficient strength to achieve a rigid structure.
  • the substrate formed in this way has a relatively low weight per unit area.
  • Photovoltaic modules with such substrates can be used for large-scale applications such as on roofs of industrial buildings, sports halls or in solar farms on fields. However, it is also possible a small-scale application, which nevertheless requires a minimum stability, for example, to substitute support structures by the photovoltaic module such as in vehicles, for example in the car roof.
  • the substrate may be both flat and non-planar, for example curved.
  • the photovoltaic layer is preferably flat or parallel to the surface on the substrate.
  • the substrate consists at least substantially of paper or cardboard, where appropriate, plastic or metal structures are also considered.
  • the use of paper or board for the substrate has the advantage of being light in weight and cost-effective to manufacture.
  • the substrate is expediently designed in three layers and comprises an upper and a lower cover layer, between which lies a honeycomb structure layer.
  • the three layers are preferably all made of the same material, preferably of paper or cardboard, wherein basically also a combination of different ner materials, for example, a production of the upper and lower cover layer of a first material and the intermediate honeycomb layer of a second, differing material.
  • a combination of paper and cardboard for example by the honeycomb layer made of paper and the two cover layers made of cardboard or vice versa.
  • the support element may be expedient to connect at least one support element to the substrate, for example a glass fiber mat, in order to increase the stability.
  • the support element is located either on one of the cover layers, on both cover layers, on the honeycomb layer, on a cover layer and an adjacent honeycomb layer or on all three layers.
  • both the individual layers may each be provided with a support element as well as two layers or all three layers may be reinforced by a common support element.
  • the photovoltaic layer may be formed both organically and inorganically as a solar cell. In the case of an organic version, this is characterized by a relatively low weight and good flexibility.
  • the photovoltaic module is designed to be rigid overall.
  • the flexibility of the organic photovoltaic layer makes it possible to cover non-planar substrate surfaces with the photovoltaic layer.
  • the strength and stability of the substrate is high enough to accommodate the increased weight, to provide sufficient rigidity for application, and to protect the cells (especially when using crystalline thick film cells) from breakage.
  • the substrate may be expedient to fill the honeycombs of the substrate partially or completely with a foam, which is preferably introduced into the honeycomb in the uncured state and then cured.
  • the foam is for example made of polyurethane and can be introduced in the composite spray molding (CSM) process.
  • the substrate expediently has a water-resistant coating, wherein optionally the coating additionally reduces the flammability.
  • the substrate in the embodiment of the substrate as a honeycomb cardboard or paper honeycomb, this advantageously has a weight of, for example, 15 g / m 2, including the coating.
  • connection of the photovoltaic layer to the substrate takes place for example by means of gluing, wherein both a continuous, flat adhesive layer and individual adhesive dots or an adhesive pattern can be provided.
  • connection such as positive connections, for example by means of a transparent film which is stretched over the photovoltaic layer and fixed to the substrate.
  • cover the photovoltaic layer with a rigid, UV-resistant and transparent layer or plate (for example, polycarbonate or Plexiglas) and connect to the substrate.
  • FIG. 1 is a side view of a photovoltaic module, with a substrate, on which an optically active photovoltaic layer is applied, wherein the substrate has a honeycomb structure in the interior,
  • FIG. 2 shows the photovoltaic module according to FIG. 1 in a perspective view
  • FIG. 3 is a detailed representation of the substrate in a perspective exploded view, consisting of an upper and lower cover layer and an intermediate honeycomb structure,
  • Fig. 5 shows another photovoltaic module, which is connected via adhesive dots or lines to the substrate.
  • a photovoltaic module 1 which has a substrate 2 as the carrier body and a photovoltaic layer 3 applied to the substrate 2 as the optically active layer.
  • the photovoltaic layer 3 is designed, for example, as a light and flexible organic layer.
  • the photovoltaic layer 3 fixedly connected to the upper side of the substrate 2 has a slightly smaller base area than the substrate, so that between the edge region of the photovoltaic layer 3 and the edge region of the substrate 2 a circumferential strip is formed which is free of the photovoltaic layer.
  • the substrate 2 of the photovoltaic module 1 has a honeycomb structure in the manner shown in FIG. 3 and consists of paper or cardboard.
  • the substrate 2 has three superimposed and interconnected layers, namely an upper cover layer 4, a lower cover layer 5 and an intermediate honeycomb layer 6.
  • the layers are bonded together by gluing.
  • the upper and lower cover layers 4 and 5 are smooth-surfaced
  • the honeycomb structure layer 6 has a honeycomb structure with a plurality of individual honeycombs, which extend between the upper and lower cover layers 4, 5.
  • the honeycomb triangular shape in principle, other cross-sectional shapes come into consideration, for example, hexagonal honeycomb or square honeycomb.
  • the thickness of the intermediate honeycomb structure 6 is significantly greater than the thickness of the cover layers 4 and 5. Due to the extension of the individual honeycombs between the layers 4 and 5, the substrate 2 in the loading direction orthogonal to the plane of the cover layers 4 and 5 has a high rigidity on. Also in the transverse direction, the substrate has an increased rigidity.
  • the substrate 2 is also provided with a honeycomb structure.
  • the photovoltaic layer 3 is covered by a transparent film 7 whose edge regions are connected to the substrate 2.
  • the photovoltaic layer 3 is connected to the substrate 2 by means of the film 7.
  • further fastening measures for connecting the photovoltaic layer in the substrate may be provided, but they are not absolutely necessary.
  • the photovoltaic layer 3 is connected to the substrate 2 via an adhesive bond 8.
  • the adhesive bond 8 is in the form of an adhesive pattern with areas exposed between different rows of adhesive, wherein in principle also a flat, continuous

Abstract

Ein Photovoltaikmodul umfasst eine Photovoltaikschicht, die auf ein Substrat aufgebracht ist, welches eine Wabenstruktur aufweist.

Description

Beschreibung Titel
Photovoltaikmodul
Die Erfindung bezieht sich auf ein Photovoltaikmodul, mit einer Photovoltaik- schicht, die auf ein Substrat aufgebracht ist, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 .
Stand der Technik
In der DE 10 2007 034 252 A1 wird ein Photovoltaikmodul beschrieben, das ein Substrat als Trägermaterial und eine auf das Substrat aufgebrachte Photovol- taikschicht umfasst, bestehend aus einer Grundelektrode unmittelbar auf der O- berfläche des Substrates, einer optisch aktiven Schicht und einer Deckelektrode. Das Substrat besteht gemäß einer in der DE 10 2007 034 252 A1 genannten Ausführungsvariante aus Papier oder Karton, wodurch dem Substrat eine flexible Verformbarkeit verliehen wird.
Offenbarung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, mit einfachen Maßnahmen ein leicht bauendes und stabiles Photovoltaikmodul zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Die Unteransprüche geben zweckmäßige Weiterbildungen an.
Das erfindungsgemäße Photovoltaikmodul weist ein Substrat als Trägerelement und eine auf das Substrat aufgebrachte, optisch aktive Photovoltaikschicht auf. Das Substrat besitzt eine Wabenstruktur, wodurch die Stabilität des Substrats und damit auch des gesamten Photovoltaikmoduls signifikant gesteigert ist. Dies erlaubt es, für das Substrat leichte Materialien zu verwenden und dennoch ein Photovoltaikmodul mit hoher Stabilität zu erhalten. Aufgrund der Wabenstruktur ist das Substrat im Wesentlichen starr ausgebildet und kann für einen großflächigen Einsatz einer Vielzahl zusammenwirkender, einzelner Photovoltaikmodule verwendet werden. Hierbei ist entweder pro Substrat eine Photovoltaikschicht vorgesehen, wobei eine Mehrzahl derartiger Photovoltaikmodule zusammengeschaltet werden können, oder es sind auf einem gemeinsamen, großflächigen Substrat mehrere einzelne Photovoltaikschichten angeordnet, wobei auch in diesem Fall eine Mehrzahl von Photovoltaikmodulen zusammengekoppelt werden können.
Aufgrund der Wabenstruktur können Materialien verwendet werden, die ansonsten in einer Ausführung als Glattlage flexibel verformbar wären. Die Wabenstruktur verleiht derartigen Materialien eine ausreichende Festigkeit zum Erzielen einer starren Struktur. Zugleich weist das in dieser Weise ausgebildete Substrat ein verhältnismäßig geringes Flächengewicht auf. Photovoltaikmodule mit derartigen Substraten können für großflächige Einsatzgebiete wie zum Beispiel auf Dächern von Industriegebäuden, Sporthallen oder in Solarparks auf Feldern verwendet werden. Möglich ist aber auch eine kleinflächige Anwendung, die gleichwohl eine Mindeststabilität voraussetzt, beispielsweise, um Tragkonstruktionen durch das Photovoltaikmodul zu substituieren wie zum Beispiel bei Fahrzeugen, beispielsweise im Autodach.
Das Substrat kann sowohl eben als auch nicht-eben, beispielsweise gewölbt ausgeführt sein. Die Photovoltaikschicht liegt vorzugsweise flächig bzw. parallel zur Oberfläche auf dem Substrat auf.
Gemäß einer bevorzugten Ausführung besteht das Substrat zumindest im Wesentlichen aus Papier oder Karton, gegebenenfalls kommen auch Kunststoff- o- der Metallkonstruktionen in Betracht. Die Verwendung von Papier oder Karton für das Substrat hat den Vorteil des geringen Gewichtes bei kostengünstiger Herstellung.
Das Substrat ist zweckmäßigerweise dreilagig ausgeführt und umfasst eine obere und eine untere Decklage, zwischen denen eine Wabenstrukturlage liegt. Die drei Lagen bestehen vorzugsweise alle aus dem gleichen Material, bevorzugt aus Papier oder Karton, wobei grundsätzlich auch eine Kombination verschiede- ner Materialien in Betracht kommt, beispielsweise eine Fertigung der oberen und unteren Decklage aus einem ersten Material und der zwischenliegenden Wabenstrukturlage aus einem zweiten, sich unterscheidenden Material. In Betracht kommt auch eine Kombination von Papier und Karton, indem zum Beispiel die Wabenstrukturlage aus Papier und die beiden Decklagen aus Karton bestehen bzw. umgekehrt.
Es kann zweckmäßig sein, zur Steigerung der Stabilität mindestens ein Stützelement mit dem Substrat zu verbinden, beispielsweise eine Glasfasermatte. Im Falle eines dreilagigen Substrats befindet sich das Stützelement entweder an einer der Decklagen, an beiden Decklagen, an der Wabenstrukturlage, an einer Decklage und einer angrenzenden Wabenstrukturlage oder an allen drei Lagen. Hierbei können sowohl die einzelnen Lagen mit jeweils einem Stützelement versehen sein als auch zwei Lagen oder alle drei Lagen über ein gemeinsames Stützelement verstärkt sein.
Die Photovoltaikschicht kann sowohl organisch als auch anorganisch als Solarzelle ausgebildet sein. Im Falle einer organischen Ausführung zeichnet sich diese durch ein verhältnismäßig geringes Gewicht und eine gute Flexibilität aus. Durch das Aufbringen der organischen Photovoltaikschicht auf das wabenartige Substrat ist das Photovoltaikmodul insgesamt starr ausgebildet. Die Flexibilität der organischen Photovoltaikschicht erlaubt es, nicht-ebene Substratoberflächen mit der Photovoltaikschicht zu bedecken. Im Falle einer anorganischen Solarzelle ist die Festigkeit und Stabilität des Substrats groß genug, das erhöhte Gewicht aufnehmen zu können, eine ausreichende Steifigkeit für Anwendung bereitzustellen sowie den Schutz der Zellen (insbesondere beim Einsatz von kristallinen Dickschichtzellen) vor Bruch zu gewährleisten.
Für eine weitere Verbesserung der Stabilität kann es zweckmäßig sein, die Waben des Substrats teilweise oder vollständig mit einem Schaum zu füllen, der vorzugsweise im nicht ausgehärteten Zustand in die Waben eingebracht wird und anschließend aushärtet. Der Schaum besteht beispielsweise aus Polyurethan und kann im Composite Spray Molding (CSM)-Verfahren eingebracht werden. Das Substrat weist zweckmäßigerweise eine wasserfeste Beschichtung auf, wobei gegebenenfalls die Beschichtung zusätzlich die Entflammbarkeit verringert. In der Ausführung des Substrats als wabenartiger Karton bzw. Papierwabe weist dieses vorteilhafterweise einschließlich der Beschichtung ein Gewicht von beispielsweise 1 15 g/m2 auf.
Die Verbindung der Photovoltaikschicht mit dem Substrat erfolgt beispielsweise mittels Klebens, wobei sowohl eine durchgehende, flächige Klebeschicht als auch einzelne Klebepunkte bzw. ein Klebemuster vorgesehen sein können. Möglich sind aber auch sonstige Verbindungsarten wie formschlüssige Verbindungen, beispielsweise mittels einer transparenten Folie, die über die Photovoltaikschicht gespannt ist und am Substrat befestigt ist. Weiterhin besteht die Möglichkeit, die Photovoltaikschicht mit einer starren, UV-beständigen und transparenten Schicht bzw. Platte abzudecken (beispielsweise Polycarbonat oder Plexiglas) und mit dem Substrat zu verbinden.
Weitere Vorteile und zweckmäßige Ausführungen sind den weiteren Ansprüchen, der Figurenbeschreibung und den Zeichnungen zu entnehmen. Es zeigen:
Fig. 1 in Seitenansicht ein Photovoltaikmodul, mit einem Substrat, auf das eine optisch aktive Photovoltaikschicht aufgebracht ist, wobei das Substrat im Innern eine Wabenstruktur aufweist,
Fig. 2 das Photovoltaikmodul gemäß Fig. 1 in einer perspektivischen Ansicht,
Fig. 3 in Einzeldarstellung das Substrat in einer perspektivischen Explosionsdarstellung, bestehend aus einer oberen und unteren Decklage und einer zwischenliegenden Wabenstrukturlage,
Fig. 4 ein Photovoltaikmodul in Seitenansicht in einer weiteren Ausführung, bei der die Photovoltaikschicht von einer transparenten Folie überdeckt ist,
Fig. 5 ein weiteres Photovoltaikmodul, das über Klebepunkte bzw. -linien mit dem Substrat verbunden ist.
In den Figuren sind gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen. In den Fig. 1 und 2 ist ein Photovoltaikmodul 1 dargestellt, das als Trägerkörper ein Substrat 2 und als optisch aktive Schicht eine auf das Substrat 2 aufgebrachte Photovoltaikschicht 3 aufweist. Die Photovoltaikschicht 3 ist beispielsweise als leichte und flexible organische Schicht ausgeführt. Die fest mit der Oberseite des Substrats 2 verbundene Photovoltaikschicht 3 weist eine geringfügig kleinere Grundfläche als das Substrat auf, so dass zwischen dem Randbereich der Photovoltaikschicht 3 und dem Randbereich des Substrats 2 ein umlaufender Streifen gebildet ist, der frei von der Photovoltaikschicht ist.
Das Substrat 2 des Photovoltaikmoduls 1 weist in der in Fig. 3 dargestellten Weise eine Wabenstruktur auf und besteht aus Papier bzw. Karton. Gemäß Fig. 3 weist das Substrat 2 drei übereinander liegende und miteinander verbundene Lagen auf, nämlich eine obere Decklage 4, eine untere Decklage 5 und eine zwischenliegende Wabenstrukturlage 6. Die Lagen sind durch Kleben miteinander verbunden. Die obere und die untere Decklage 4 bzw. 5 sind glattflächig ausgeführt, die Wabenstrukturlage 6 besitzt eine Wabenstruktur mit einer Vielzahl einzelner Waben, welche sich zwischen oberer und unterer Decklage 4, 5 erstrecken. Im Ausführungsbeispiel weisen die Waben Dreieckform auf, wobei grundsätzlich auch andere Querschnittsformen in Betracht kommen, beispielsweise sechseckige Waben oder viereckige Waben. Die Dicke der zwischenliegenden Wabenstruktur 6 ist signifikant größer als die Dicke der Decklagen 4 bzw. 5. Aufgrund der Erstreckung der einzelnen Waben zwischen den Lagen 4 bzw. 5 weist das Substrat 2 in Belastungsrichtung orthogonal zur Ebene der Decklagen 4 bzw. 5 eine hohe Steifigkeit auf. Auch in Querrichtung besitzt das Substrat eine erhöhte Steifigkeit.
Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist das Substrat 2 ebenfalls mit einer Wabenstruktur versehen. Die Photovoltaikschicht 3 ist von einer transparenten Folie 7 überzogen, deren Randbereiche mit dem Substrat 2 verbunden sind. Auf diese Weise wird die Photovoltaikschicht 3 mithilfe der Folie 7 mit dem Substrat 2 verbunden. Darüber hinaus können gegebenenfalls weitere Befestigungsmaßnahmen zur Verbindung der Photovoltaikschicht im Subtrat vorgesehen sein, sie sind aber nicht zwingend erforderlich. Im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5, bei dem das Substrat 2 des Photovoltaik- moduls 1 ebenfalls eine Wabenstruktur aufweist, ist die Photovoltaikschicht 3 ü- ber eine Klebeverbindung 8 mit dem Substrat 2 verbunden. Die Klebeverbindung 8 liegt in Form eines Klebemusters mit zwischen verschiedenen Klebereihen frei- liegenden Bereichen vor, wobei grundsätzlich auch eine flächige, durchgehende
Verklebung in Betracht kommt.

Claims

Ansprüche
1 . Photovoltaikmodul, mit einer Photovoltaikschicht (3), die auf ein Substrat (2) aufgebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) eine Wabenstruktur aufweist.
2. Photovoltaikmodul nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) aus Kunststoff, Metall, Papier oder Karton besteht.
3. Photovoltaikmodul nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Waben des Substrats (2) mit einem Schaum gefüllt sind.
4. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) eine wasserfeste Beschichtung aufweist.
5. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikschicht (3) flexibel ausgebildet ist.
6. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) eine obere und eine untere Decklage (4, 5) und eine zwischenliegende Wabenstrukturlage (6) umfasst.
7. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (2) mit einem Stabilitätserhöhenden Stützelement verbunden ist, insbesondere mit einer Glasfasermatte.
8. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikschicht (3) durch Kleben mit dem Substrat (2) verbunden ist.
9. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikschicht (3) von einer transparenten Folie (7) überdeckt ist.
10. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikschicht (3) von einer transparenten Kunststoff-Platte überdeckt ist.
1 1 . Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass eine organische Photovoltaikschicht (3) eingesetzt wird.
12. Photovoltaikmodul nach einem der Ansprüche 1 bis 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Photovoltaikschicht (3) als anorganische Solarzelle ausgebildet ist.
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