WO2024141464A1 - Verfahren zur wärmebehandlung eines laminierten verbunds - Google Patents

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WO2024141464A1
WO2024141464A1 PCT/EP2023/087602 EP2023087602W WO2024141464A1 WO 2024141464 A1 WO2024141464 A1 WO 2024141464A1 EP 2023087602 W EP2023087602 W EP 2023087602W WO 2024141464 A1 WO2024141464 A1 WO 2024141464A1
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laminated composite
polymer material
solar cells
heat
composite
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Sono Motors Gmbh
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Definitions

  • Solar modules with series-connected solar cells for the photovoltaic generation of electrical power from sunlight are well known to those skilled in the art.
  • Solar cells are divided into thick-film and thin-film solar cells according to their layer thickness.
  • the series connection can be integrated into the cell production process, whereas with thick-film solar cells, series connection is achieved using electrical interconnectors.
  • Silicon (Si) is the most commonly used semiconducting material, with monocrystalline and polycrystalline silicon being used for thick-film cells and amorphous silicon for thin-film cells. Silicon is available in large quantities and the process technology with silicon is well mastered.
  • the use of other semiconducting materials such as gallium arsenide (GaAs) or cadmium telluride (CdTe) is also known.
  • solar modules on electrically powered vehicles, e.g. for charging the vehicle battery in order to increase the range of the vehicle or even to use it completely independently of external power sources.
  • the solar modules are attached to the outer skin of the vehicle or themselves form part of the outer contour of the vehicle.
  • the international patent applications WO 2019/020718 A1 and WO 2022/122507 A1 describe a vehicle body part with a solar module inserted into a frame-shaped recess. Due to high requirements for the safety of passengers and passers-by, polymer-based solar modules are more suitable here than solar modules with front and/or back sides made of glass.
  • Other applications of polymer-based solar modules include lightweight industrial roofs, boats, aircraft, but also building facades.
  • the aforementioned WO 2022/122507 A1 discloses a laminated composite with solar cells ("photovoltaic label") in which a series-connected arrangement of solar cells is arranged between a front-side polymeric laminating film and a rear-side polymeric laminating film.
  • the two polymeric laminating films form an encapsulation for the solar cells so that they are well protected from external influences, especially moisture. Since the solar cells in the encapsulation are still very fragile, the encapsulated solar cells are reinforced on both sides, for which purpose the encapsulated solar cells are embedded between a front-side polymeric stabilization element and a rear-side polymeric stabilization element.
  • the two polymeric laminating films consist, for example, of ethylene vinyl acetate (EVA), the two outer polymeric stabilization elements, for example, of polycarbonate (PC).
  • EVA ethylene vinyl acetate
  • PC polycarbonate
  • the lamination to form the laminated composite takes place in laminators, in which the stacking sequence of the series-connected solar cells and polymer films is evacuated and heated under pressure.
  • the polymer laminating films become liquid, fill the gaps between the solar cells and form chemical bonds with the adjacent materials.
  • Polymers such as EVA irreversibly change into a cross-linked state during lamination.
  • the laminated assemblies are typically provided with a rear support structure, for example an injection-molded part.
  • Junction boxes are provided for the electrical connection with cables, which are usually attached to the rear of the laminated assembly or to the rear support structure.
  • the solar modules For practical outdoor use, it is important that the solar modules withstand the high loads caused by external influences during their service life. Solar modules are often exposed to high and low temperatures, so good resistance to thermal shock is required to prevent delamination. Solar modules are also exposed to moisture and strong mechanical forces, particularly from wind and snow, as well as vibrations and impacts. Solar modules must also withstand electromagnetic radiation in the visible range and especially in the UV range. All of this and other influences not mentioned here require the solar modules to be highly wear-resistant.
  • the object of the present invention is to further improve the wear resistance of solar modules, whereby delamination of polymer layers should be reliably and safely avoided even under high external loads (mechanical pressure, moisture, heat and cyclic combinations of these loads).
  • a finished laminated composite comprises, in this order, a first (eg front) stabilization element made of a first polymer material, a first (eg front) laminating film made of a second polymer material, an arrangement of series-connected solar cells, a second (eg rear) laminating film made of a third polymer material and a second (eg rear) stabilization element made of a fourth polymer material.
  • the first polymer material is different from the second Polymer material.
  • the first laminating film and the second laminating film form an encapsulation for the arrangement of series-connected solar cells.
  • the stacking sequence of the arrangement of series-connected solar cells, the two laminating films and the two stabilization elements is evacuated and heated under pressure, whereby the laminating films become liquid, fill the gaps between the solar cells and form chemical bonds with the adjacent materials.
  • the polymers of the laminating films are irreversibly cross-linked.
  • Lamination takes place, for example, in a temperature range of 140 °C - 150 °C, whereby the temperature is in any case above a melting temperature of the laminating films.
  • Lamination can be carried out at different temperatures, whereby in particular a temperature profile can also be run through. In any case, a minimum temperature can be defined, i.e. a lowest temperature at which lamination is carried out.
  • lamination is characterized by cross-linking in the volume material of the two laminating films.
  • the front and/or rear stabilization elements can be in the form of flexible foils or largely self-supporting plates. The stabilization elements protect the encapsulated solar cells from moisture and other environmental influences.
  • the laminated composite provided has an arrangement of solar cells connected in series and is already fully laminated, i.e. it has a state of high, in particular maximum, cross-linking of the two laminating films in the volume material.
  • the cross-linking takes place in the volume material of the laminating films.
  • the degree of cross-linking of the laminating films can be measured so that it can be determined by measurement whether further cross-linking takes place.
  • heat is supplied to the finished laminated composite.
  • no further cross-linking takes place in the volume material of the laminating films.
  • the heat is supplied to the laminated composite in such a way that its temperature is kept for a period of at least 1 hour in a temperature range for heat treatment of the laminated composite that is below a minimum temperature for laminating the laminated composite.
  • the temperature range for heat treatment of the laminated composite is above a melting temperature of the laminating films, i.e. above the melting temperature(s) of the second and third polymer material.
  • the temperature(s) or temperature range for heat treatment is therefore always below the temperatures at which the laminate is laminated.
  • the application of heat to the laminated composite begins less than 24 hours after the end of the lamination of the laminated composite.
  • the laminated composite is not pressurized and/or evacuated during the application of heat, which is another difference from lamination.
  • the period of time after which heat is applied to the laminated composite begins immediately after the end of the lamination of the composite.
  • the laminated composites that were subjected to a heat treatment according to the invention within 24 hours of the end of lamination were free of bubbles or spots and did not lose performance after being subjected to a climatic test using heat (moist heat), thermal cycling, moisture freezing test, etc.
  • laminated composites that were stored at room temperature for more than 24 or 48 hours and then placed in climatic chambers for climatic testing showed severe delamination, i.e. there were visible defects such as bubbles or even large spots, the cause of which - as it turned out - was the loss of adhesion between the stabilizing element and the laminating film.
  • the heat treatment according to the invention can therefore significantly improve the wear resistance of the laminated composite or the solar module produced from it to external influences.
  • the adhesion between the stabilization elements and the adjacent laminating film is improved by forming an improved material bond only in the boundary area of the films, i.e. there is no effect in the volume material of the films, in particular no cross-linking in the volume material of the laminating films. Delamination between the stabilization element and the adjacent laminating film can thus be reliably and safely avoided. This is an important advantage of the invention.
  • the heat treatment of the already fully laminated composite begins before 24 hours have elapsed after the end of lamination, since otherwise the advantageous effect of the heat treatment with regard to improving the wear resistance of the laminated composite does not occur.
  • the supply of heat to the laminated composite begins before 12 hours have elapsed after the end of lamination, which brings about a further improvement in the wear resistance of the laminated composite.
  • the supply of heat to the laminated composite begins just a few minutes or seconds after the end of lamination. In particular, this can be the time period required to transport the finished laminated composite from a laminator to a heat treatment oven for heat treatment of the laminated composite.
  • the laminated composite is transported from a laminator in which the composite is laminated after the end of lamination to a heat treatment oven in which heat is supplied to the laminated composite for the heat treatment of the laminated composite according to the invention.
  • the laminated composite can, for example, be cooled to room temperature and then heated again for heat treatment. According to the invention, however, it is also not necessary for the laminated composite to be actively or passively cooled to such a temperature that the supply of heat for heat treatment increases the temperature to the temperature range for heat treatment. Rather, it is conceivable and preferred that the supply of heat to the laminated composite begins when its temperature after lamination has reached a temperature, preferably as a result of passive cooling, that lies within the temperature range for heat treatment of the laminated composite. This advantageously saves energy for heat treatment of the laminated composite, since the laminated composite, which is still heated due to lamination, is subjected to heat treatment (without causing further cross-linking in the volume material of the laminating films).
  • the laminated composite cools passively after lamination, i.e. the laminated composite is not actively cooled. Active cooling is not necessary because, as mentioned above, the heat treatment can also be advantageously carried out on the laminated composite while it is still hot from the lamination.
  • the heat treatment must be carried out for a period of at least 1 hour in the temperature range for heat treatment of the laminated composite in order to achieve the advantageous effect of improving the wear resistance.
  • the temperature of the laminated composite is kept for a period of at least 2 hours, at least 4 hours or at least 24 hours in the temperature range for heat treatment of the laminated composite, whereby further improvements in the wear resistance can be achieved in each case.
  • the period The duration of the heat treatment depends on the temperatures used for the heat treatment, with the time decreasing as the temperature increases and vice versa.
  • the temperature range for heat treatment of the laminated composite is always below the temperatures at which the lamination of the composite takes place, in particular below a minimum temperature for laminating the composite.
  • the temperature of the laminated composite is kept in a temperature range for heat treatment of the laminated composite that is from 10° to 40°, from 10° to 30°, or from 10° to 20°, below the minimum temperature for laminating the laminated composite. This makes it possible to achieve a good improvement in the wear resistance of the laminated composite in a comparatively short period of time.
  • the heat treatment according to the invention can be carried out in various types of heat treatment systems familiar to those skilled in the art.
  • the heat treatment system can be a continuous furnace in one or more levels.
  • the system can also be designed as a batch furnace in the form of a stack furnace or a heated and insulated heat chamber with several shelves to accommodate a large number of laminated composites.
  • the heat can be supplied convectively or via radiation.
  • a large part of the heat is introduced directly from the laminated composite from the lamination process into a heat-insulated treatment chamber.
  • the polymer materials used can in principle be chosen arbitrarily, provided that the laminating films become liquid at a melting temperature and are crosslinkable.
  • the stabilizing elements must be suitable for forming a good material bond to the laminating films during lamination.
  • the first polymer material is polycarbonate (PC) and the second polymer material is ethylene vinyl acetate (EVA) or a thermoplastic polyurethane (TPU).
  • PC polycarbonate
  • EVA ethylene vinyl acetate
  • TPU thermoplastic polyurethane
  • a combination of PC/EVA is present on at least one side of the arrangement of series-connected solar cells, with PC being the first polymer material and EVA being the second polymer material.
  • a combination of PC/EVA is present on both sides of the arrangement of series-connected solar cells, with PC being the first and fourth polymer material and EVA being the second and third polymer material.
  • PC being the first and fourth polymer material
  • EVA being the second and third polymer material.
  • the inventive effect of improving wear resistance is particularly pronounced in a PC/EVA combination.
  • the first polymer material is polytetrafluoroethylene (PTFE) or polymethyl methacrylate (PPMA)
  • the second polymer material is ethylene vinyl acetate (EVA).
  • the inventive effect of improving wear resistance is also possible with these material pairings.
  • the first polymer material of the first stabilization element and the second polymer material of the first laminating film are different from one another.
  • the first polymer material of the first stabilization element and the fourth polymer material of the second stabilization element are the same.
  • the second polymer material of the first laminating film and the third polymer material of the second laminating film are the same.
  • the solar cells of the laminated composite can basically be designed in any way.
  • the solar cells are designed in the form of thick-film solar cells and are in particular solar cells based on mono- or polycrystalline silicon, which are electrically connected on the front or back by interconnectors.
  • the solar cells are designed in the form of thin-film solar cells and are in particular based on copper-indium-gallium-sulfur (selenium) CIGS (Se), cadmium telluride (CdTe), perovskite or solar cells based on amorphous silicon.
  • the solar cells can be connected in series as thick-film solar cells with interconnectors, or connected in series as thin-film solar cells in monolithically integrated form.
  • the solar cells are preferably solar cells based on mono- or polycrystalline silicon, which are connected in series by interconnectors.
  • the photovoltaically active absorber layer preferably comprises or consists of a chalcopyrite semiconductor, which is advantageously a ternary I III-VI compound semiconductor from the group copper indium/gallium disulfide/diselenide (Cu(ln,Ga)(S,Se)2).
  • a chalcopyrite semiconductor which is advantageously a ternary I III-VI compound semiconductor from the group copper indium/gallium disulfide/diselenide (Cu(ln,Ga)(S,Se)2).
  • Cu(ln,Ga)(S,Se)2 copper indium/gallium disulfide/diselenide
  • CIS copper indium diselenide/disulfide
  • CIGS copper indium gallium diselenide, copper indium gallium disulfide, copper indium gallium disulfide
  • the photovoltaically active absorber layer can also consist of cadmium telluride (CdTe), for example.
  • the term "solar cell” includes a front electrode, a photovoltaically active absorber and a rear electrode.
  • rear-contacted solar cells can also be used to advantage, in which the contacts of both polarities and the pn junctions are arranged on the rear side facing away from the light.
  • the front electrodes are connected in series with the adjacent rear electrodes in an integrated form.
  • interconnectors are provided for the electrical connection of the front electrodes with the adjacent rear electrodes.
  • At least the front components of the laminated composite arranged on the light entry side are preferably transparent, whereas the rear components not arranged on the light entry side (e.g. second stabilization element, second laminating film) can also be opaque.
  • transparent refers to a transmittance for visible light of at least 85%, in particular at least 90%, preferably at least 95%, in particular 100%. Visible light is typically present in the wavelength range from 380 nm to 780 nm.
  • the front components of the laminated composite arranged on the light entry side can advantageously be colored.
  • the invention further extends to a laminated composite containing solar cells which is heat-treated by the method according to the invention.
  • the invention further extends to a solar module with a laminated composite heat-treated according to the invention.
  • Fig. 1 is a schematic representation of an embodiment of the laminated composite according to the invention in a sectional view
  • Fig. 2 is a schematic representation of another embodiment of the laminated composite according to the invention in a sectional view
  • Fig. 3 is a flow chart illustrating the method according to the invention.
  • a laminated composite designated overall by the reference number 1, is illustrated schematically using a sectional view (vertical section through the layer sequence).
  • the laminated composite 1 comprises an arrangement of solar cells 2 connected in series, here, for example, back-contacted Si solar cells.
  • the solar cells 2 are contacted by a rear copper (Cu) layer 3 (rear foil), with a polymer separation foil 4 with through holes (openings) not shown between the solar cells 2 and the Cu layer 3.
  • the separation film 4 which serves for better adhesion, mechanically and electrically stable contact and electrical insulation, consists for example of a polyolefin elastomer (POE), ethylene vinyl acetate (EVA) or another suitable polymer.
  • POE polyolefin elastomer
  • EVA ethylene vinyl acetate
  • the arrangement of solar cells 2 is arranged between two laminating films 5, 6, with a first laminating film 5 on the front side (light entry side) of the solar cells 2 and a second laminating film 6 on the back side of the solar cells 2.
  • the two laminating films 5, 6 here consist, for example, of ethylene vinyl acetate (EVA) and encapsulate the arrangement of solar cells 2 in an airtight and watertight manner.
  • EVA ethylene vinyl acetate
  • the two laminating films 5, 6 therefore form an encapsulation for the arrangement of solar cells 2.
  • the thickness of the laminating films 5, 6 is, for example, in the range of 100 pm to 600 pm and can vary between the front and back.
  • the arrangement of solar cells 2 is further arranged between two stabilization elements 7, 8, with a first stabilization element 7 being located at the front of the solar cells 2 and a second stabilization element 8 being located at the back of the solar cells 2.
  • the two stabilization elements 7, 8 here consist, for example, of polycarbonate (PC).
  • the encapsulated arrangement of solar cells 2 is arranged between the two stabilization elements 7, 8, with the first stabilization element 7 being arranged directly adjacent to the first laminating film 5 and the second stabilization element 8 being arranged directly adjacent to the second laminating film 6.
  • the first stabilization element 7 thus forms a transparent front layer and the second stabilization element 8 forms a transparent back layer of the laminated composite 1.
  • the laminated composite 1 shown in Figure 1 is already fully laminated, ie the two laminating films 5, 6 are cross-linked with each other in the volume material, for example with a maximum degree of cross-linking achievable for the laminating film used (e.g. 90%), and thus form the encapsulation for the arrangement of solar cells 2.
  • the first stabilization element 7 is firmly bonded to the first laminating film 5.
  • the second stabilization element 8 is firmly bonded to the second laminating film 6.
  • the laminated composite 1 is thus a solid composite of the arrangement of solar cells 2 with the adjacent polymer films and stabilization elements.
  • the laminated composite 1 was laminated in a laminator, for example at a temperature of 140 °C - 150 °C under pressure and in an evacuated state.
  • the thickness of the two stabilization elements 7, 8 is, for example, in the range of 0.25 mm to 2 mm, which means that the laminated composite 1 is semi-flexible.
  • the thickness of the stabilization elements 7, 8 can be different on the front and back.
  • the Si solar cells typically have a thickness of 150 pm to 200 pm.
  • the laminated composite 1 shown in Figure 1 is subjected to a heat treatment according to the invention.
  • the laminated composite 1 is supplied with heat after less than 24 hours have elapsed after the end of the lamination of the laminated composite 1, so that its temperature is kept for a period of at least 1 hour in a temperature range that is below a minimum temperature for laminating the laminated composite 1, but above the melting temperature of the two laminating films 5, 6.
  • the laminated composite 1 is transferred from the laminator to a heat treatment oven immediately after the end of the lamination in order to carry out the heat treatment.
  • the time until the start of the heat treatment after the end of the lamination is a few minutes or even just a few seconds.
  • the laminated composite 1 only cools down passively, with the laminated composite 1 still hot from the lamination being subjected to the heat treatment.
  • the laminated composite 1 is neither pressurized nor evacuated.
  • the heat treatment is carried out, for example, at a temperature of 105 °C for a period of 1 or 2 hours, which can already achieve a significant improvement in the wear resistance of the laminated composite 1, whereby it has been shown that a heat treatment for a period of at least 24 hours can effectively prevent delamination.
  • An optimal time period for the heat treatment of the laminated composite 1 depends on the temperature of the heat treatment and can be determined in individual cases by the expert through simple tests. However, the temperature for the heat treatment of the laminated composite 1 should be above 75 °C in the embodiment of Figure 1.
  • the heat treatment can achieve a significant improvement in the wear resistance of the laminated composite 1, and it has been found that an improvement in the adhesion between PC and EVA is the key mechanism for preventing delamination.
  • FIG 2 another exemplary embodiment of a laminated composite 1 is illustrated schematically using a cross-sectional view (section perpendicular through the layer sequence).
  • FIG. 2 another exemplary embodiment of a laminated composite 1 is illustrated schematically using a cross-sectional view (section perpendicular through the layer sequence).
  • the two laminating films 5, 6 here consist, for example, of ethylene vinyl acetate (EVA) and encapsulate the arrangement of solar cells 2 in an airtight and watertight manner.
  • the first stabilizing element consists of polytetrafluoroethylene (PTFE), the second stabilizing element of polycarbonate (PC).
  • PTFE polytetrafluoroethylene
  • PC polycarbonate
  • At least one PC/EVA layer sequence is present, for which an improvement in the wear resistance of the laminated composite 1 can be achieved in a particular manner.
  • the method comprises a first step I, in which a finished laminated composite is provided, which comprises in this order a first stabilization element made of a first polymer material, a first laminating film made of a second polymer material, an arrangement of series-connected solar cells, a second laminating film made of a third Polymer material and a second stabilization element made of a fourth polymer material, wherein the first laminating film and the second laminating film form an encapsulation for the arrangement of series-connected solar cells, and wherein the first polymer material is different from the second polymer material.
  • a second step II heat is supplied to the finished laminated composite so that its temperature is kept for a period of at least 1 hour in a temperature range for heat treatment of the laminated composite that is below a minimum temperature for laminating the composite.
  • the supply of heat to the laminated composite begins after less than 24 hours have elapsed after the end of the lamination of the composite.
  • the invention provides a method for heat treating a finished laminated composite, with which a significant improvement in the wear resistance (prevention of delamination) of the laminated composite can be achieved.

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines laminierten Verbunds (1) mit Solarzellen (2), mit den folgenden Schritten: Bereitstellen eines fertig laminierten Verbunds (1), welcher in dieser Reihenfolge ein erstes Stabilisationselement (7) aus einem ersten Polymermaterial, eine erste Laminierfolie (5) aus einem zweiten Polymermaterial, eine Anordnung serienverschalteter Solarzellen (2), eine zweite Laminierfolie (6) aus einem dritten Polymermaterial und eine zweite Stabilisationsfolie (8) aus einem vierten Polymermaterial umfasst, wobei die erste Laminierfolie (5) und die zweite Laminierfolie (6) eine Einkapselung für die Anordnung serienverschalteter Solarzellen (2) bilden, und wobei das erste Polymermaterial verschieden vom zweiten Polymermaterial ist, Zuführen von Wärme zum laminierten Verbund (1), sodass dessen Temperatur für eine Zeitspanne von mindestens 1 Stunde in einem Temperaturbereich zur Wärmebehandlung des laminierten Verbunds (1) gehalten wird, der unterhalb einer Minimaltemperatur zum Laminieren des Verbunds (1) liegt, wobei das Zuführen von Wärme zum laminierten Verbund (1) nach Ablauf von weniger als 24 Stunden nach dem Ende des Laminierens des Verbunds (1) beginnt.

Description

Verfahren zur Wärmebehandlung eines laminierten Verbunds
GEBIET DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der photovoltaischen Energieerzeugung und betrifft ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines eine Vielzahl von Solarzellen enthaltenden laminierten Verbunds, das zur Herstellung eines Solarmoduls dient. Sie erstreckt sich weiterhin auf einen wärmebehandelten laminierten Verbund, sowie auf ein Solarmodul mit dem erfindungsgemäßen Laminierten Verbund.
STAND DER TECHNIK
Solarmodule mit serienverschalteten Solarzellen zur photovoltaischen Erzeugung von elektrischem Strom aus Sonnenlicht sind dem Fachmann wohlbekannt. Solarzellen werden entsprechend ihrer Schichtdicke in Dickschicht- und Dünnschichtsolarzellen unterschieden. Bei Dünnschichtsolarzellen kann die Serienverschaltung in den Prozess der Zellfertigung integriert werden, wohingegen bei Dickschichtsolarzellen eine Serienverschaltung durch elektrische Interkonnektoren erfolgt. Als halbleitendes Material wird am häufigsten Silizium (Si) eingesetzt, wobei mono- und polykristallines Silizium für Dickschichtzellen und amorphes Silizium für Dünnschichtzellen zur Anwendung gelangt. Silizium ist in großer Menge verfügbar und die Prozesstechnologie mit Silizium ist gut beherrscht. Bekannt ist auch die Verwendung anderer halbleitender Materialien wie beispielsweise Gallium-Arsenid (GaAs) oder Cadmium-Tellurid (CdTe). In der industriellen Serienfertigung von Dünnschichtsolarmodulen hat der pentenäre Halbleiter Kupfer-lndium(Gallium)-Schwefel(Selen), abgekürzt Cu(ln,Ga)(S,Se)2, der zur Gruppe der Chalkopyrit-Verbindungshalbleiter gehört, besondere Bedeutung erlangt. Ein mögliches Verfahren zur Herstellung eines solchen Absorbers ist aus J. Palm et al., "CIS module pilot processing applying concurrent rapid selenization and sulfurization of large area thin film precursors", Thin Solid Films 431-432, S. 414-522 (2003) bekannt.
Angesichts des Bestrebens nachhaltig Energie zu erzeugen, ist derzeit ein starker Zuwachs an Solarmodulen beispielsweise in Freiflächenanlagen zu beobachten. Eine besonders wichtige Anwendung sind Solarmodule an elektrisch betriebenen Fahrzeugen z.B. zur Aufladung der Fahrzeugbatterie, um hierdurch die Reichweite des Fahrzeugs zu erhöhen oder dieses sogar völlig unabhängig von externen Stromquellen zu nutzen. Die Solarmodule werden an der Außenhaut des Fahrzeugs angebracht oder bilden selbst einen Teil der Außenkontur des Fahrzeugs. Beispielsweise ist in den internationalen Patentanmeldungen WO 2019/020718 A1 und WO 2022/122507 A1 ein Fahrzeug-Karosserieteil mit einem in eine rahmenförmige Aussparung eingesetzten Solarmodul beschrieben. Auf Grund hoher Anforderungen für die Sicherheit von Passagieren und Passanten eignen sich polymerbasierte Solarmodule hier besser als Solarmodule mit Front- und/oder Rückseiten aus Glas. Andere Anwendungen von polymerbasierten Solarmodulen sind beispielsweise Leichtbau-Industriedächer, Boote, Flugzeuge, aber auch Gebäudefassaden.
Insbesondere der vorstehend genannten WO 2022/122507 A1 kann ein laminierter Verbund mit Solarzellen ("photovoltaisches Label") entnommen werden, bei dem eine serienverschaltete Anordnung von Solarzellen zwischen einer vorderseitigen polymeren Laminierfolie und einer rückseitigen polymeren Laminierfolie angeordnet ist. Die beiden polymeren Laminierfolien bilden eine Einkapselung für die Solarzellen, sodass diese vor äußeren Einflüssen, vor allem Feuchtigkeit, gut geschützt sind. Da die Solarzellen in der Einkapselung weiterhin sehr zerbrechlich sind, werden die eingekapselten Solarzellen beiderseits verstärkt, zu welchem Zweck die eingekapselten Solarzellen zwischen einem vorderseitigen polymeren Stabilisationselement und einem rückseitigen polymeren Stabilisationselement eingebettet werden. Die beiden polymeren Laminierfolien bestehen z.B. aus Ethylenvinylacetat (EVA), die beiden äußeren polymeren Stabilisationselemente z.B. aus Polycarbonat (PC). Die Lamination zum laminierten Verbund erfolgt in Laminatoren, bei denen die Stapelfolge aus den serienverschalteten Solarzellen und polymeren Folien evakuiert und unter Druck erhitzt wird. Hierbei werden die polymeren Laminierfolien flüssig, füllen die Lücken zwischen den Solarzellen aus und bilden chemische Verbindungen mit den angrenzenden Materialien aus. Polymere wie EVA gehen beim Laminieren irreversibel in einen vernetzten Zustand über. In der industriellen Serienfertigung erfolgt dies in In- Line-Anlagen, bei denen die Stapelfolgen nacheinander verschiedenen Stationen zugeführt werden, die entlang einer Prozess-Straße angeordnet sind, wie eine Ladestation, Heizstation und Kühlstation, wobei die laminierten Verbünde in der Kühlstation aktiv gekühlt werden. Möglich ist aber auch ein passives Abkühlen der laminierten Verbünde.
Zur Herstellung von Solarmodulen werden die laminierten Verbünde typischerweise mit einer rückseitigen Stützstruktur versehen, beispielsweise ein im Spritzgussverfahren hergestelltes Formteil. Für die elektrische Verbindung mit Kabeln sind Anschlussdosen vorgesehen, die gewöhnlich an der Rückseite des Laminierten Verbunds oder an der rückseitigen Stützstruktur angebracht werden.
Für die praktische Anwendung im Freien ist es wichtig, dass die Solarmodule während ihrer Lebensdauer den hohen Belastungen durch äußere Einwirkungen standhalten. So sind Solarmodule häufig hohen und niedrigen Temperaturen ausgesetzt, sodass eine gute Beständigkeit gegen Temperaturwechselbelastung erforderlich ist, um eine Delamination zu vermeiden. Des Weiteren wirken Feuchtigkeit und starke mechanische Kräfte insbesondere durch Wind und Schnee sowie Vibrationen und Stöße auf die Solarmodule ein. Gleichermaßen müssen Solarmodule elektromagnetischer Strahlung im sichtbaren Bereich und vor allem im UV-Bereich standhalten. All dies und weitere hier nicht genannte Einflüsse erfordern eine hohe Verschleißbeständigkeit der Solarmodule.
Um die Verschleißbeständigkeit und somit die Zuverlässigkeit von Solarmodulen in der praktischen Anwendung zu prüfen, werden an den Laminierten Verbunden bzw. Solarmodulen verschiedene standardisierte Tests durchgeführt, wodurch insbesondere eine beschleunige Alterung herbeigeführt werden soll. Typischerweise wird eine Klimaprüfung in speziellen Klimakammern durchgeführt, bei der sie einer hohen Temperaturwechselbelastung und Feuchtigkeit ausgesetzt werden. Insbesondere muss die Festigkeit der stoffschlüssigen Verbindung zwischen den laminierten polymeren Materialien unter allen Belastungen hoch sein, damit keine Feuchtigkeit in das Solarmodul eindringen kann und zudem die mechanische Integrität nicht beeinträchtigt wird. Wenn eine Delamination bei der Klimaprüfung auftritt, ist dies meist schon an äußerlich sichtbaren Defekten wie Blasen oder großen Flecken gut zu erkennen. Ursache hierfür ist der Verlust der Haftung zwischen den laminierten Schichten.
Nun hat sich bei verschiedenen Tests gezeigt, dass die Verschleißbeständigkeit von Solarmodulen nicht nur von den Bedingungen bei der Lamination (Druck, Wärme) abhängt, sondern wesentlich auch von dem weiteren Werdegang der laminierten Verbünde nach dem Laminieren der polymeren Schichten.
Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die Verschleißbeständigkeit von Solarmodulen weiter zu verbessern, wobei eine Delamination polymerer Schichten auch bei hohen äußeren Belastungen (mechanischer Druck, Feuchtigkeit, Wärme und zyklische Kombinationen dieser Belastungen) zuverlässig und sicher vermieden werden soll.
Diese und weitere Aufgaben werden nach dem Vorschlag der Erfindung durch ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines Laminierten Verbunds mit Solarzellen mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Bevorzugte Ausführungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.
Erfindungsgemäß ist ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines eine Vielzahl von Solarzellen enthaltenden laminierten Verbunds gezeigt.
In einem ersten Schritt wird ein fertig laminierter Verbund bereitgestellt. Der laminierte Verbund umfasst, in dieser Reihenfolge, ein erstes (z.B. vorderseitiges) Stabilisationseiement aus einem ersten Polymermaterial, eine erste (z.B. vorderseitige) Laminierfolie aus einem zweiten Polymermaterial, eine Anordnung serienverschalteter Solarzellen, eine zweite (z.B. rückseitige) Laminierfolie aus einem dritten Polymermaterial und ein zweites (z.B. rückseitiges) Stabilisationselement aus einem vierten Polymermaterial. Das erste Polymermaterial ist verschieden vom zweiten Polymermaterial. Die erste Laminierfolie und die zweite Laminierfolie bilden eine Einkapselung für die Anordnung serienverschalteter Solarzellen. Beim Laminieren wird die Stapelfolge aus der Anordnung der serienveschalteten Solarzellen, den beiden Laminierfolien und den beiden Stabilisationselementen evakuiert und unter Druck erhitzt, wobei die Laminierfolien flüssig werden, die Lücken zwischen den Solarzellen ausfüllen und chemische Verbindungen mit den angrenzenden Materialien ausbilden. Die Polymere der Laminierfolien gehen hierbei irreversibel in einen vernetzten Zustand über. Die Lamination erfolgt z.B. in einem Temperaturbereich von 140 °C - 150 °C, wobei die Temperatur jedenfalls oberhalb einer Schmelztemperatur der Laminierfolien liegt. Die Lamination kann bei verschiedenen Temperaturen durchgeführt werden, wobei insbesondere auch ein Temperaturprofil durchfahren werden kann. Jedenfalls kann eine Minimaltemperatur definiert werden, d.h. eine niedrigste Temperatur, bei welcher die Lamination durchgeführt, wird. Generell ist die Lamination durch ein Vernetzen im Volumenmaterial der beiden Laminierfolien charakterisiert. Das vordere und/oder das rückseitige Stabilisationselement können je nach Dicke in Form von flexiblen Folien oder weitgehend selbsttragende Platten ausgebildet sein. Die Stabilisationselemente schützen die eingekapselten Solarzellen vor Feuchte und weiteren Umwelteinflüssen.
Im Sinne vorliegender Erfindung weist der bereitgestellte laminierte Verbund eine Anordnung serienverschalteter Solarzellen auf und ist bereits fertig laminiert, d.h. es weist einen Zustand hoher, insbesondere maximaler, Vernetzung der beiden Laminierfolien im Volumenmaterial auf. Die Vernetzung findet im Volumenmaterial der Laminierfolien statt. Der Vernetzungsgrad der Laminierfolien kann gemessen werden, sodass messtechnisch bestimmbar ist, ob eine weitere Vernetzung erfolgt.
In einem zweiten Schritt wird dem fertig laminierten Verbund Wärme zugeführt. Hierbei findet im Unterschied zum Laminieren keine weitere Vernetzung im Volumenmaterial der Laminierfolien statt. Die Wärme wird dem laminierten Verbund so zugeführt, dass dessen Temperatur für eine Zeitspanne von mindestens 1 Stunde in einem Temperaturbereich zur Wärmebehandlung des laminierten Verbunds gehalten wird, der unterhalb einer Minimaltemperatur zum Laminieren des laminierten Verbunds liegt. Vorzugsweise liegt der Temperaturbereich zur Wärmebehandlung des laminierten Verbunds oberhalb einer Schmelztemperatur der Laminierfolien, d.h. oberhalb der Schmelztemperatur(en) des zweiten und dritten Polymermaterials. Die Temperatur(en) bzw. der Temperaturbereich zur Wärmebehandlung liegt somit stets unterhalb der Temperaturen, bei denen die Laminierung des Verbunds erfolgt. Wesentlich hierbei ist, dass das Zuführen von Wärme zum laminierten Verbund nach Ablauf von weniger als 24 Stunden nach dem Ende des Laminierens des laminierten Verbunds beginnt. Vorzugsweise wird der laminierte Verbund während des Zuführens von Wärme nicht mit Druck beaufschlagt und/oder nicht evakuiert, was ein weiterer Unterschied zum Laminieren ist. Die Zeitspanne, nach deren Ablauf dem laminierten Verbund Wärme zugeführt beginnt unmittelbar mit dem Ende des Laminierens des Verbunds.
Vorteilhafterweise waren die laminierten Verbünde, die einer erfindungsgemäßen Wärmebehandlung vor Ablauf von 24 Stunden nach Ende des Laminierens unterzogen wurden, frei von Blasen oder Flecken und verloren auch nicht an Leistung, nachdem sie einer Klimaprüfung unterzogen wurden, bei der Wärme (feuchte Wärme), thermische Wechselbeanspruchung, Feuchtigkeits-Gefriertest usw. zum Einsatz kamen. Im Unterschied hierzu zeigten laminierte Verbünde, die länger als 24 oder 48 Stunden bei Raumtemperatur gelagert und anschließend in Klimakammern zur Klimaprüfung gebracht wurden, starke Delaminationen, d.h. es gab sichtbare Defekte wie Blasen oder sogar große Flecken, deren Ursache - wie sich herausstellte - in dem Verlust der Haftung zwischen der Stabilisationselement und der Laminierfolie zu finden war. Durch die erfindungsgemäße Wärmebehandlung kann somit die Verschleißbeständigkeit des laminierten Verbunds bzw. des hieraus hergestellten Solarmoduls gegenüber äußeren Einflüssen erheblich verbessert werden. Ohne an eine Theorie gebunden zu sein, wird angenommen, dass die Haftung zwischen den Stabilisationselementen und der jeweils angrenzenden Laminierfolie durch das Ausbilden einer verbesserten stoffschlüssigen Verbindung nur im Grenzbereich der Folien verbessert wird, d.h. es tritt kein Effekt im Volumenmaterial der Folien auf, insbesondere keine Vernetzung im Volumenmaterial der Laminierfolien. Eine Delamination zwischen Stabilisationselement und angrenzender Laminierfolie kann somit zuverlässig und sicher vermieden werden. Dies ist ein wichtiger Vorteil der Erfindung.
Wie bereits dargestellt, ist es entscheidend für den erfinderischen Effekt, dass die Wärmebehandlung des bereits fertig laminierten Verbunds vor Ablauf von 24 Stunden nach Ende des Laminierens beginnt, da ansonsten der vorteilhafte Effekt der Wärmebehandlung im Hinblick auf eine Verbesserung der Verschleißbeständigkeit des laminierten Verbunds nicht auftritt. Vorzugsweise beginnt das Zuführen von Wärme zum laminierten Verbund vor Ablauf von 12 Stunden nach Ende des Laminierens, was eine weitere Verbesserung der Verschleißbeständigkeit des laminierten Verbunds mit sich bringt. Möglich ist jedoch auch, dass das Zuführen von Wärme zum laminierten Verbund schon nach einigen Minuten oder Sekunden nach dem Ende des Laminierens beginnt. Insbesondere kann dies die Zeitspanne sein, die benötigt wird, um den fertig laminierten Verbund aus einem Laminator in einen Wärmebehandlungsofen zur Wärmebehandlung des laminierten Verbunds zu transportieren. Vorteilhaft wird der laminierte Verbund von einem Laminator, in dem der Verbund laminiert wird, nach Ende des Laminierens in einen Wärmebehandlungsofen, in dem dem laminierten Verbund Wärme für die erfindungsgemäße Wärmebehandlung des laminierten Verbunds zugeführt wird, transportiert.
Erfindungsgemäß kann der laminierte Verbund beispielsweise auf Raumtemperatur abgekühlt und dann zur Wärmebehandlung wieder erwärmt werden. Erfindungsgemäß ist es aber auch nicht erforderlich, dass der laminierte Verbund aktiv oder passiv auf eine solche Temperatur gekühlt wird, dass durch die Zufuhr von Wärme zur Wärmebehandlung eine Erhöhung der Temperatur bis in den Temperaturbereich zur Wärmebehandlung erfolgt. Vielmehr ist denkbar und bevorzugt, dass mit dem Zuführen von Wärme zum laminierten Verbund schon begonnen wird, wenn dessen Temperatur nach dem Laminieren vorzugsweise durch passives Abkühlen eine T emperatur aufweist, die innerhalb des Temperaturbereichs zur Wärmebehandlung des laminierten Verbunds liegt. Dies spart in vorteilhafter Weise Energie zum Wärmebehandeln des laminierten Verbunds, da der aufgrund der Lamination noch erwärmte laminierte Verbund einer Wärmebehandlung unterzogen wird (ohne eine weitere Vernetzung im Volumenmaterial der Laminierfolien zu bewirken).
Vorzugsweise kühlt der laminierte Verbund nach dem Laminieren passiv ab, d.h. der laminierte Verbund wird nicht aktiv gekühlt. Eine aktive Kühlung ist nicht erforderlich, da wie vorstehend erwähnt, die Wärmebehandlung vorteilhaft auch an dem noch durch die Lamination heißen laminierten Verbund durchgeführt werden kann.
Wie die Erfinder weiterhin überraschend festgestellt haben, muss die Wärmebehandlung mindestens für eine Zeitspanne von mindestens 1 Stunde im Temperaturbereich zur Wärmebehandlung des laminierten Verbunds durchgeführt werden, um den vorteilhaften Effekt einer Verbesserung der Verschleißbeständigkeit zu erzielen. Vorteilhaft wird die Temperatur des laminierten Verbunds für eine Zeitspanne von mindestens 2 Stunden, mindestens 4 Stunden oder mindestens 24 Stunden im Temperaturbereich zur Wärmebehandlung des laminierten Verbunds gehalten, wodurch jeweils weitere Verbesserungen der Verschleißbeständigkeit erreicht werden können. Die Zeitspanne der Wärmebehandlung hängt von den zur Wärmebehandlung eingesetzten Temperaturen ab, wobei die Zeitspanne abnimmt, wenn die Temperatur zunimmt und umgekehrt.
Der Temperaturbereich zur Wärmebehandlung des laminierten Verbunds liegt stets unterhalb der Temperaturen, bei denen die Lamination des Verbunds erfolgt, insbesondere unterhalb einer Minimaltemperatur zum Laminieren des Verbunds. Vorzugsweise wird die Temperatur des laminierten Verbunds in einem Temperaturbereich zur Wärmebehandlung des laminierten Verbunds gehalten, der von 10° bis 40°, von 10° bis 30°, oder von 10° bis 20°, unterhalb der Minimaltemperatur zum Laminieren des laminierten Verbunds liegt. Hierdurch kann eine gute Verbesserung der Verschleißbeständigkeit des laminierten Verbunds in einem vergleichsweise kurzen Zeitraum erzielt werden.
Die erfindungsgemäße Wärmebehandlung kann in verschiedenen, dem Fachmann vertrauten Anlagentypen zur Wärmebehandlung durchgeführt werden. Die Anlage zur Wärmebehandlung kann je nach Dauer der Wärmebehandlung ein Durchlaufofen in einer oder mehreren Ebenen sein. Die Anlage kann bei längeren Behandlungsdauern auch als ein Batchofen in Form eines Stapelofens oder einer geheizten und isolierten Wärmekammer mit mehreren Regalen zur Aufnahme einer Vielzahl von laminierten Verbunden ausgestaltet sein. Die Wärmezufuhr kann konvektiv oder über Strahlung erfolgen. Bevorzugt wird ein Großteil der Wärme direkt vom laminierten Verbund aus dem Laminationsprozess in eine Wärme-isolierte Behandlungskammer eingebracht.
In dem laminierten Verbund können die verwendeten polymeren Materialien grundsätzlich beliebig gewählt werden, mit der Maßgabe, dass die Laminierfolien bei einer Schmelztemperatur flüssig werden und vernetzbar sind. Die Stabilisationselemente müssen geeignet sein, beim Laminieren eine gute stoffschlüssige Verbindung zu den Laminierfolien auszubilden. Vorzugsweise ist das erste Polymermaterial Polycarbonat (PC) und das zweite Polymermaterial ist Ethylenvinylacetat (EVA) oder ein thermoplastisches Polyurethan (TPU). Besonders bevorzugt liegt zumindest auf einer Seite der Anordnung serienverschalteter Solarzellen eine Kombination PC/EVA vor, wobei PC das erste Polymermaterial und EVA das zweite Polymermaterial ist. Noch stärker bevorzugt liegt auf beiden Seiten der Anordnung serienverschalteter Solarzellen eine Kombination PC/EVA vor, wobei PC das erste und vierte Polymermaterial und EVA das zweite und dritte Polymermaterial ist. Wie die Erfinder festgestellt haben, ist der erfinderische Effekt einer Verbesserung der Verschleißbeständigkeit bei einer Kombination PC/EVA besonders ausgeprägt. Möglich ist jedoch auch, dass das erste Polymermaterial Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polymethylmethacrylat (PPMA) und das zweite Polymermaterial Ethylenvinylacetat (EVA) ist. Auch bei diesen Materialpaarungen ist der erfinderische Effekt einer Verbesserung der Verschleißbeständigkeit möglich.
Im laminierten Verbund sind das erste Polymermaterial des ersten Stabilisationselements und das zweite Polymermaterial der ersten Laminierfolie voneinander verschieden. Vorteilhaft sind das erste Polymermaterial des ersten Stabilisationselements und das vierte Polymermaterial des zweiten Stabilisationselements zueinander gleich. Gleichermaßen vorteilhaft sind das zweite Polymermaterial der ersten Laminierfolie und das dritte Polymermaterial der zweiten Laminierfolie zueinander gleich.
Die Solarzellen des laminierten Verbunds können grundsätzlich beliebig ausgebildet sein. Gemäß einer Ausgestaltung sind die Solarzellen in Form von Dickschichtsolarzellen ausgebildet und sind insbesondere auf mono- oder polykristallinem Silizium basierende Solarzellen, die vorderseitig oder rückseitig durch Interkonnektoren elektrisch verbunden sind. Gemäß einer weiteren Ausgestaltung sind die Solarzellen in Form von Dünnschichtsolarzellen ausgebildet und sind insbesondere auf Kupfer-lndium-Gallium-Schwefel(Selen)CIGS(Se), Cadmium-Tellurid (CdTe), Perowskit- oder Solarzellen basierend auf amorphem Silizium. Die Solarzellen können als Dickschichtsolarzellen mit Interkonnektoren seriell verbunden sein, oder als Dünnschichtsolarzellen in monolithisch integrierter Form serienverschaltet sein. Bevorzugt sind die Solarzellen auf mono- oder polykristallinem Silizium basierende Solarzellen, die durch Interkonnektoren seriell verschaltet sind. Vorzugsweise umfasst oder besteht die photovoltaisch aktive Absorberschicht aus einem Chalkopyrit-Halbleiter, bei dem es sich vorteilhaft um einen ternären I Ill-Vl-Verbindungshalbleiter aus der Gruppe Kupfer-Indium/Gallium-Disulfid/Diselenid (Cu(ln,Ga)(S,Se)2) handelt. In vorstehender Formel können Indium und Gallium jeweils allein oder in Kombination vorliegen. Entsprechendes gilt für Schwefel und Selen, die jeweils allein oder in Kombination vorliegen können. Als Material für die Absorberschicht eignet sich in besonderer Weise CIS (Kupfer-Indium-Diselenid/-Disulfid) oder CIGS (Kupfer-Indium- Gallium-Diselenid, Kupfer-Indium-Gallium-Disulfid, Kupfer-Indium-Gallium- Disulfoselenid). Die photovoltaisch aktive Absorberschicht kann beispielsweise auch aus Cadmiumtellurid (CdTe) bestehen.
In Einklang mit der gängigen Verwendung umfasst der Begriff "Solarzelle" eine Frontelektrode, einen photovoltaisch aktiven Absorber und eine Rückelektrode. Für Anwendungen mit hohen Anforderungen an Leistungsdichte (Solarzellenwirkungsgrad) und hohen visuell-ästhetischen Anforderungen wie bei der Integration in ein Fahrzeug können auch vorteilhaft rückseitenkontaktierte Solarzellen verwendet werden, bei denen die Kontakte beider Polaritäten und die pn-Übergänge auf der dem Licht abgewandten Rückseite angeordnet sind In Dünnschichtsolarzellen sind die Frontelektroden mit den jeweils angrenzenden Rückelektroden in integrierter Form serienverschaltet. Bei Dickschichtsolarzellen sind Interkonnektoren zur elektrischen Verbindung der Frontelektroden mit den jeweils angrenzenden Rückelektroden vorgesehen.
Zumindest die lichteintrittsseitig angeordneten, frontseitigen Komponenten des laminierten Verbunds (z.B. erstes Stabilisationselement, erste Laminierfolie) sind vorzugweise transparent, wohingegen die nicht auf der Lichteintrittsseite angeordneten, rückseitigen Komponenten (z.B. zweites Stabilisationselement, zweite Laminierfolie) auch opak sein können. Im Sinne vorliegender Erfindung bezieht sich der Begriff "transparent" auf eine Durchlässigkeit für sichtbares Licht von wenigstens 85%, insbesondere wenigstens 90%, vorzugsweise wenigstens 95%, insbesondere 100%. Typischerweise liegt sichtbares Licht im Wellenlängenbereich von 380 nm bis 780 nm vor. Der Begriff "opak" bezieht sich dementsprechend auf eine Durchlässigkeit für sichtbares Licht von weniger als 5%, insbesondere 0%. Die lichteintrittsseitig angeordneten, frontseitigen Komponenten des laminierten Verbunds können vorteilhaft farbig ausgebildet sein.
Des Weiteren erstreckt sich die Erfindung auf einen laminierten Verbund, enthaltend Solarzellen, welches durch das erfindungsgemäße Verfahren wärmebehandelt ist. Ferner erstreckt sich die Erfindung auf ein Solarmodul mit einem erfindungsgemäß wärmebehandelten laminierten Verbund. Die verschiedenen Ausgestaltungen der Erfindung können einzeln oder in beliebigen Kombinationen realisiert sein. Insbesondere sind die vorstehend und nachstehend genannten Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird. Es zeigen in vereinfachter, nicht maßstäblicher Darstellung:
Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen laminierten Verbunds in einer Schnittansicht;
Fig. 2 eine schematische Darstellung einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen laminierten Verbunds in einer Schnittansicht; und
Fig. 3 ein Ablaufdiagramm zur Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
In Figur 1 ist ein insgesamt mit der Bezugszahl 1 bezeichneter laminierter Verbund in schematischer Weise anhand einer Schnittansicht (Schnitt senkrecht durch Schichtenfolge) veranschaulicht. Der laminierte Verbund 1 umfasst eine Anordnung von serienverschalten Solarzellen 2, hier beispielsweise rückseitenkontaktierte Si- Solarzellen. Die Solarzellen 2 sind von einer rückseitigen Kupfer-(Cu)-Schicht 3 (Rückseitenfolie) kontaktiert, wobei sich eine polymere Separationsfolie 4 mit nicht dargestellten Durchgangslöchern (Durchbrechungen) zwischen den Solarzellen 2 und der Cu-Schicht 3 befindet. In den Durchgangslöchern befindet sich ein elektrisch leitfähiger Klebstoff. Die Separationsfolie 4, welche für eine bessere Haftung, mechanisch und elektrisch stabile Kontaktierung und elektrische Isolation dient, besteht beispielsweise aus einem Polyolefinelastomer (POE), Ethylenvinylacetat (EVA) oder einem anderen geeigneten Polymer. Für das Verständnis der Erfindung ist der genaue Aufbau der Solarzellen 2 und deren elektrische Kontaktierung nicht erforderlich, sodass hier nicht näher darauf eingegangen werden muss. Im Übrigen ist dies dem Fachmann wohlbekannt.
Die Anordnung von Solarzellen 2 ist zwischen zwei Laminierfolien 5, 6 angeordnet, wobei sich vorderseitig (lichteintrittsseitig) der Solarzellen 2 eine erste Laminierfolie 5 und rückseitig der Solarzellen 2 eine zweite Laminierfolie 6 befindet. Die beiden Laminierfolien 5, 6 bestehen hier beispielsweise aus Ethylen-Vinyl-Acetat (EVA) und kapseln die Anordnung von Solarzellen 2 lüft- und wasserdicht ein. Mithin bilden die beiden Laminierfolien 5, 6 eine Einkapselung für die Anordnung von Solarzellen 2. Die Dicke der Laminierfolien 5, 6 liegt beispielsweise im Bereich von 100 pm bis 600 pm und kann zwischen Vorder- und Rückseite unterschiedlich sein.
Die Anordnung von Solarzellen 2 ist weiterhin zwischen zwei Stabilisationselementen 7, 8 angeordnet, wobei sich vorderseitig der Solarzellen 2 ein erstes Stabilisationselement 7 und rückseitig der Solarzellen 2 ein zweites Stabilisationselement 8 befindet. Die beiden Stabilisationselemente 7, 8 bestehen hier beispielsweise aus Polycarbonat (PC). Die eingekapselte Anordnung von Solarzellen 2 ist zwischen den beiden Stabilisationselementen 7, 8 angeordnet, wobei das erste Stabilisationselement 7 unmittelbar benachbart zur ersten Laminierfolie 5 angeordnet ist, und das zweite Stabilisationselement 8 unmittelbar benachbart zur zweiten Laminierfolie 6 angeordnet ist. Mithin bildet das erste Stabilisationselement 7 eine transparente Vorderseitenschicht, das zweite Stabilisationselement 8 eine transparente Rückseitenschicht des laminierten Verbunds 1.
Der in Figur 1 gezeigte laminierte Verbund 1 ist bereits fertig laminiert, d.h. die beiden Laminierfolien 5, 6 sind im Volumenmaterial miteinander vernetzt, beispielsweise mit einem maximalen, für die verwendete Laminierfolie erreichbaren Vernetzungsgrad (z. B. 90 %), und formen somit die Einkapselung für die Anordnung von Solarzellen 2. Das erste Stabilisationselement 7 ist mit der ersten Laminierfolie 5 stoffschlüssig fest verbunden. Das zweite Stabilisationselement 8 ist mit der zweiten Laminierfolie 6 stoffschlüssig fest verbunden. Der laminierte Verbund 1 ist somit ein fester Verbund aus der Anordnung von Solarzellen 2 mit den angrenzenden polymeren Folien und Stabilisationselementen. Der laminierte Verbund 1 wurde in einem Laminator beispielsweise bei einer Temperatur von 140 °C - 150 °C unter Druckbeaufschlagung und in evakuiertem Zustand laminiert. Die Dicke der beiden Stabilisationselemente 7, 8 liegt z. B. jeweils im Bereich von 0,25 mm bis 2 mm, wodurch erreicht wird, dass der laminierte Verbund 1 semiflexibel ist. Die Dicke der Stabilisationselemente 7, 8 kann auf Vorder- und Rückseite verschieden sein. Die Si-Solarzellen weisen typischerweise eine Dicke von 150 pm bis 200 pm auf.
Der in Figur 1 gezeigte laminierte Verbund 1 wird erfindungsgemäß einer Wärmebehandlung unterzogen. Hierbei wird der laminierte Verbund 1 nach Ablauf von weniger als 24 Stunden nach dem Ende des Laminierens des laminierten Verbunds 1 Wärme zugeführt, sodass dessen Temperatur für eine Zeitspanne von mindestens 1 Stunde in einem Temperaturbereich gehalten wird, der unterhalb einer Minimaltemperatur zum Laminieren des laminierten Verbunds 1 liegt, aber oberhalb der Schmelztemperatur der beiden Laminierfolien 5, 6. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird der laminierte Verbund 1 unmittelbar nach Ende der Lamination aus dem Laminator in einen Wärmebehandlungsofen überführt, um die Wärmebehandlung durchzuführen. Beispielsweise beträgt die Zeitspanne bis zum Beginn der Wärmebehandlung nach Ende der Lamination einige Minuten oder sogar nur einige Sekunden. Der laminierte Verbund 1 kühlt hierbei nur passiv ab, wobei den noch von der Lamination heißen laminierten Verbund 1 der Wärmbehandlung unterzogen wird. Bei der Wärmebehandlung wird der laminierte Verbund 1 weder mit Druck beaufschlagt noch evakuiert. Die Wärmebehandlung erfolgt beispielsweise bei einer Temperatur von 105 °C für eine Zeitspanne von 1 oder 2 Stunden, wodurch schon eine erhebliche Verbesserung der Verschleißbeständigkeit des laminierten Verbunds 1 erzielt werden kann, wobei sich gezeigt hat, dass eine Wärmebehandlung für einen Zeitraum von mindestens 24 Stunden jedenfalls eine Delamination wirksam unterbinden kann. Eine optimale Zeitspanne für die Wärmebehandlung des laminierten Verbunds 1 hängt von der Temperatur der Wärmebehandlung ab und kann im Einzelfall vom Fachmann durch einfache Versuche ermittelt werden. Die Temperatur zur Wärmebehandlung des laminierten Verbunds 1 sollte im Ausführungsbeispiel von Figur 1 jedoch oberhalb 75 °C liegen, da sich gezeigt hat, dass sich sonst die Zeitdauer der Wärmebehandlung erheblich verlängert, um ein optimales Ergebnis zu erzielen. Durch die Wärmebehandlung kann eine erhebliche Verbesserung der Verschleißbeständigkeit des laminierten Verbunds 1 erzielt werden, wobei herausgefunden wurde, dass eine Verbesserung der Haftung zwischen PC und EVA der Schlüsselmechanismus zur Vermeidung einer Delamination ist.
In Figur 2 ist eine weitere beispielhafte Ausführungsform eines laminierten Verbunds 1 in schematischer Weise anhand einer Querschnittansicht (Schnitt senkrecht durch Schichtenfolge) veranschaulicht. Um unnötige Wiederholungen zu vermeiden, werden lediglich die Unterschiede zur Ausführungsform von Figur 1 beschrieben und ansonsten wird auf die Ausführungen zur Figur 1 Bezug genommen.
Hierbei ist eine Anordnung von serienverschalteten Si-Solarzellen 2 vorgesehen, bei der die Solarzellen 2 durch Bus Bars und Kontaktbändchen elektrisch verbunden sind. Diese Art der elektrischen Kontaktierung von Solarzellen 2 ist dem Fachmann wohlbekannt, sodass nicht näher darauf eingegangen werden muss. Die beiden Laminierfolien 5, 6 bestehen hier beispielsweise aus Ethylen-Vinyl-Acetat (EVA) und kapseln die Anordnung von Solarzellen 2 lüft- und wasserdicht ein. Das erste Stabilisationselement besteht aus Polytetrafluorethylen (PTFE), das zweite Stabilisationselement aus Polycarbonat (PC). Der laminierte Verbund 1 von Figur 2 wird einer Wärmebehandlung unterzogen, wie sie für den laminierten Verbund von Figur 1 beschrieben ist.
In den Ausführungsformen der Figuren 1 und 2 ist jeweils mindestens eine Schichtenfolge PC/EVA vorhanden, für welche in besonderer Weise eine Verbesserung der Verschleißbeständigkeit des laminierten Verbunds 1 erzielt werden kann.
Es wird nun Bezug auf Figur 3 genommen, worin das erfindungsgemäße Verfahren zur Wärmebehandlung anhand eines Flussdiagramms veranschaulicht ist. Das Verfahren umfasst einen ersten Schritt I, bei dem ein fertig laminierten Verbund bereit gestellt wird, welches in dieser Reihenfolge ein erstes Stabilisationselement aus einem ersten Polymermaterial, eine erste Laminierfolie aus einem zweiten Polymermaterial, eine Anordnung serienverschalteter Solarzellen, eine zweite Laminierfolie aus einem dritten Polymermaterial und ein zweites Stabilisationselement aus einem vierten Polymermaterial umfasst, wobei die erste Laminierfolie und die zweite Laminierfolie eine Einkapselung für die Anordnung serienverschalteter Solarzellen bilden, und wobei das erste Polymermaterial verschieden vom zweiten Polymermaterial ist. In einem zweiten Schritt II wird Wärme zum fertig laminierten Verbunds zugeführt, sodass dessen Temperatur für eine Zeitspanne von mindestens 1 Stunde in einem Temperaturbereich zur Wärmebehandlung des laminierten Verbunds gehalten wird, der unterhalb einer Minimaltemperatur zum Laminieren des Verbunds liegt. Das Zuführen von Wärme zum laminierten Verbund beginnt nach Ablauf von weniger als 24 Stunden nach dem Ende des Laminierens des Verbunds.
Wie sich aus vorstehender Beschreibung ergibt, stellt die Erfindung ein Verfahren zur Wärmebehandlung eines fertig laminierten Verbunds zur Verfügung, mit dem eine erhebliche Verbesserung der Verschleißbeständigkeit (Vermeidung von Delamination) des laminierten Verbunds erzielt werden kann.
BEZUGSZEICHENLISTE
1 laminierter Verbund
2 Solarzellen
3 Cu-Schicht 4 Separationsfolie
5 erste Laminierfolie
6 zweite Laminierfolie
7 erstes Stabilisationselement
8 zweites Stabilisationselement

Claims

ANSPRÜCHE
1. Verfahren zur Wärmebehandlung eines laminierten Verbunds (1) mit Solarzellen (2), welches die Schritte umfasst:
Bereitstellen eines fertig laminierten Verbunds (1), welcher in dieser Reihenfolge ein erstes Stabilisationselement (7) aus einem ersten Polymermaterial, eine erste Laminierfolie (5) aus einem zweiten Polymermaterial, eine Anordnung serienverschalteter Solarzellen (2), eine zweite Laminierfolie (6) aus einem dritten Polymermaterial und ein zweites Stabilisationselement (8) aus einem vierten Polymermaterial umfasst, wobei die erste Laminierfolie (5) und die zweite Laminierfolie (6) eine Einkapselung für die Anordnung serienverschalteter Solarzellen (2) bilden, und wobei das erste Polymermaterial verschieden vom zweiten Polymermaterial ist,
Zuführen von Wärme zum Laminierprodukt (1), sodass dessen Temperatur für eine Zeitspanne von mindestens 1 Stunde in einem Temperaturbereich zur Wärmebehandlung des laminierten Verbunds (1) gehalten wird, der unterhalb einer Minimaltemperatur zum Laminieren des Verbunds (1) liegt, wobei das Zuführen von Wärme zum laminierten Verbund (1) nach Ablauf von weniger als 24 Stunden nach dem Ende des Laminierens des Verbunds (1) beginnt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , bei welchem das Zuführen von Wärme zum laminierten Verbund (1) nach Ablauf von weniger als 12 Stunden, insbesondere nach Ablauf von einigen Minuten oder Sekunden, nach dem Ende des Laminierens beginnt.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Temperatur des laminierten Verbunds (1) für eine Zeitspanne von mindestens 2 Stunden, mindestens 4 Stunden oder mindestens 24 Stunden in dem Temperaturbereich zur Wärmebehandlung des laminierten Verbunds (1) gehalten wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem die Temperatur des laminierten Verbunds (1) in einem Temperaturbereich zur Wärmebehandlung des laminierten Verbunds (1) gehalten wird, welcher insbesondere 10° bis 40°, 10° bis 30°, oder 10° bis 20°, unterhalb der Minimaltemperatur zum Laminieren des Verbunds (1) liegt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das erste Polymermaterial Polycarbonat (PC) und das zweite Polymermaterial Ethylenvinylacetat (EVA) oder ein thermoplastisches Polyurethan (TPU) ist.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei welchem das erste Polymermaterial Polytetrafluorethylen (PTFE) oder Polymethylmethacrylat (PPMA) und das zweite Polymermaterial Ethylenvinylacetat (EVA) ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei welchem das erste Polymermaterial und das vierte Polymermaterial gleich und/oder das zweite Polymermaterial und das dritte Polymermaterial gleich sind.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, bei welchem der laminierte Verbund (1) während des Zuführens von Wärme nicht druckbeaufschlagt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, bei welchem der laminierte Verbund (1) vor Beginn der Wärmebehandlung nicht aktiv gekühlt wird.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, bei welchem mit dem Zuführen von Wärme zum laminierten Verbund (1) begonnen wird, wenn dessen Temperatur nach dem Laminieren insbesondere durch passives Abkühlen eine Temperatur aufweist, die innerhalb des Temperaturbereichs zur Wärmebehandlung des laminierten Verbunds liegt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, bei welchem der laminierte Verbund (1) von einem Laminator, in dem der Verbund laminiert wird, für die Wärmebehandlung in einen Wärmebehandlungsofen, in dem dem laminierten Verbund (1) Wärme zugeführt wird, transportiert wird.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , bei welchem die Solarzellen (2) in Form von i) Dickschichtsolarzellen, insbesondere auf mono- oder polykristallinem Silizium basierende Solarzellen, die vorderseitig oder rückseitig durch Interkonnektoren elektrisch verbunden sind, oder ii) Dünnschichtsolarzellen, insbesondere auf Kupfer-Indium-Gallium- Schwefel (Selen) CIGS(Se), Cadmium-Tellurid (CdTe), Perowskit- Solarzellen oder Solarzellen auf amorphem Silizium basierend, ausgebildet sind.
13. Laminierter Verbund (1), enthaltend Solarzellen, welcher durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12 wärmebehandelt ist.
14. Solarmodul mit einem wärmebehandelten laminierten Verbund (1) gemäß Anspruch 13.
PCT/EP2023/087602 2022-12-25 2023-12-22 Verfahren zur wärmebehandlung eines laminierten verbunds WO2024141464A1 (de)

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