DE102009014348A1 - Leichtes, biegesteifes und selbsttragendes Solarmodul sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung - Google Patents

Leichtes, biegesteifes und selbsttragendes Solarmodul sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung Download PDF

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein photovoltaisches Solarmodul und ein Verfahren zu seiner Herstellung.

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein photovoltaisches Solarmodul und ein Verfahren zu seiner Herstellung.
  • Unter Solarmodulen versteht man Bauelemente zur direkten Erzeugung von elektrischem Strom aus Sonnenlicht. Schlüsselfaktoren für eine kosteneffiziente Erzeugung von Solarstrom sind der Wirkungsgrad der verwendeten Solarzellen, sowie die Herstellkosten und die Haltbarkeit der Solarmodule.
  • Ein Solarmodul besteht üblicherweise aus einem gerahmten Verbund aus Glas, verschalteten Solarzellen, einem Einbettmaterial und einer Rückenseitenkonstruktion. Die einzelnen Schichten des Solarmoduls haben folgende Funktionen zu erfüllen.
  • Das Frontglas dient dem Schutz vor mechanischen und Witterungseinflüssen. Es muss höchste Transparenz aufweisen, um Absorptionsverluste im optischen Spektralbereich von 300 nm bis 1150 nm und damit Wirkungsgradverluste der üblicherweise zur Stromerzeugung eingesetzten Silizium-Solarzellen möglichst gering zu halten. Normalerweise wird gehärtetes, eisenarmes Weißglas (3 oder 4 mm stark) verwendet, dessen Transmissionsgrad im obigen Spektralbereich bei 90 bis 92% liegt. Ferner liefert das Glas einen signifikanten Beitrag zur Steifigkeit des Moduls.
  • Das Einbettmaterial (meist werden EVA(Ethyl-Vinylacetat)-Folien verwendet) dient zur Verklebung des gesamten Modulverbundes. EVA schmilzt während eines Laminiervorgangs bei etwa 150°C, fließt in die Zwischenräume der verlöteten Solarzellen und wird thermisch vernetzt. Eine Bildung von Luftblasen, die zu Reflexionsverlusten führen, wird durch eine Laminierung unter Vakuum vermieden.
  • Die Modulrückseite schützt die Solarzellen und das Einbettmaterial vor Feuchtigkeit und Sauerstoff. Außerdem dient sie als mechanischer Schutz vor Verkratzung etc. beim Montieren der Solarmodule und als elektrische Isolation. Als Rückseitenkonstruktion kann eine weitere Glasscheibe oder eine Verbundfolie eingesetzt werden. Im Wesentlichen werden dabei die Varianten PVF (Polyvinylfluorid)-PET (Polyethylenterephthalat)-PVF oder PVF-Aluminium-PVF eingesetzt.
  • Die im Solarmodulbau eingesetzten Kapselungsmaterialien müssen insbesondere gute Barriereeigenschaften gegen Wasserdampf und Sauerstoff aufweisen. Durch Wasserdampf oder Sauerstoff werden die Solarzellen selbst nicht angegriffen, aber es kommt zu einer Korrosion der Metallkontakte und einer chemischen Degradation des EVA-Einbettmaterials. Ein zerstörter Solarzellenkontakt führt zu einem Komplettausfall des Moduls, da normalerweise alle Solarzellen in einem Modul elektrisch seriell verschaltet werden. Eine Degradation des EVA zeigt sich an einer Vergil bung des Moduls, verbunden mit einer entsprechenden Leistungsreduktion durch Lichtabsorption sowie einer visuellen Verschlechterung. Heute werden etwa 80% aller Module mit einer der beschriebenen Verbundfolien auf der Rückseite verkapselt, bei etwa 15% der Solarmodule wird Glas für Vorder- und Rückseite verwendet. In diesem Falle kommen als Einbettmaterial anstatt EVA teilweise hochtransparente, allerdings nur langsam (mehrere Stunden) härtende Gießharze zum Einsatz.
  • Um trotz der relativ hohen Investitionskosten konkurrenzfähige Stromgestehungskosten von Solarstrom zu erreichen, müssen Solarmodule lange Betriebszeiten erreichen. Heutige Solarmodule sind daher auf eine Lebensdauer von 20 bis 30 Jahren ausgelegt. Neben hoher Witterungsstabilität werden große Anforderungen an die Temperaturbelastbarkeit der Module gestellt, deren Temperatur im Betrieb zyklisch zwischen 80°C bei voller Sonneneinstrahlung und Temperaturen unterhalb des Gefrierpunks schwanken können. Dementsprechend werden Solarmodule umfangreichen Stabilitätstests unterzogen (Normtests nach IEC 61215 und IEC 61730), zu denen Witterungstests (UV-Bestrahlung, Damp Heat, Temperaturwechsel), aber auch Hagelschlagtests und Tests des elektrischen Isolationsvermögens zählen.
  • Auf die Modulendfertigung entfällt mit 30% der Gesamtkosten ein relativ hoher Anteil der Gesamtkosten für Photovoltaikmodule. Dieser große Anteil der Modulfertigung ist durch hohe Materialkosten (z. B. Rückseitenmehrschichtfolie) und durch lange Prozesszeiten, d. h. geringe Produktivität bedingt. Noch immer werden häufig die oben beschriebenen Einzelschichten des Modulverbunds in Handarbeit zusammengestellt und ausgerichtet. Zusätzlich führen das relativ langsame Aufschmelzen des EVA-Schmelzklebers und die Lamination des Modulverbunds bei ca. 150°C und unter Vakuum zu Zykluszeiten von etwa 20 bis 30 Minuten pro Modul.
  • Durch die relativ dicke Frontglasscheibe weisen konventionelle Solarmodule zudem ein hohes Gewicht auf, das wiederum stabile und teure Haltekonstruktionen nötig macht. Auch ist die Wärmeabfuhr bei heutigen Solarmodulen nur unbefriedigend gelöst. Bei voller Sonnenbestrahlung heizen sich die Module auf bis zu 80°C, was zu einer temperaturbedingten Verschlechterung des Solarzellenwirkungsgrads und damit letztlich zu einer Verteuerung des Solarstroms führt.
  • Im Stand der Technik werden Solarmodule hauptsächlich mit einem Rahmen aus Aluminium verwendet. Obwohl es sich dabei um ein Leichtmetall handelt, leistet doch dessen Gewicht einen nicht zu vernachlässigenden Beitrag zum Gesamtgewicht. Dies ist gerade bei größeren Modulen ein Nachteil, der aufwändige Halte- und Befestigungskonstruktionen erfordert.
  • Um den Eintritt von Wasser und Sauerstoff zu verhindern, weisen besagte Aluminiumrahmen auf ihrer dem Solarmodul zuweisenden Innenseite eine zusätzliche Dichtung auf. Darüber hinaus kommt nachteilig hinzu, dass Aluminiumrahmen aus Rechteckprofilen hergestellt werden und man daher hinsichtlich ihrer Formgebung stark eingeschränkt ist.
  • Zur Verringerung des Solarmodulgewichtes, zur Vermeidung eines zusätzlichen Dichtungsmaterials und zur Erhöhung der Designfreiheit beschreiben US 4,830,038 und US 5,008,062 die Anbringung eines Kunststoffrahmens um das betreffende Solarmodul, der durch das RIM-Verfahren (Reaction Injection Molding) erhalten wird.
  • Bevorzugt handelt es sich bei dem verwendeten polymeren Material um ein elastomeres Polyurethan. Das besagte Polyurethan soll bevorzugt einen E-Modul in einem Bereich von 200 bis 10000 p. s. i. (entsprechend ca. 1,4 bis 69,0 N/mm2) besitzen.
  • Zur Verstärkung des Rahmens werden in diesen beiden Patentschriften verschiedene Möglichkeiten beschrieben. So können Verstärkungsbauteile aus zum Beispiel einem polymeren Material, Stahl oder Aluminium bei der Ausbildung des Rahmens mit in diesen integriert werden. Auch können Füllstoffe mit in das Rahmenmaterial eingebracht werden. Bei diesen kann es sich zum Beispiel um plättchenförmige Füllstoffe wie das Mineral Wollastonit oder nadelartige/faserförmige Füllstoffe wie Glasfasern handeln.
  • In ähnlicher Weise beschreibt DE 37 37 183 A1 ebenfalls ein Verfahren zur Herstellung des Kunststoffrahmens eines Solarmoduls, wobei die Shore-Härte des verwendeten Materials bevorzugt so eingestellt wird, dass eine ausreichende Steifigkeit des Rahmens und eine elastische Aufnahme des Solargenerators sichergestellt ist.
  • Die zuvor beschriebenen Module werden mit Hilfe von Ständerkonstruktionen aufgestellt oder beispielsweise auf Dachstrukturen angebracht. Sie benötigen dazu eine gewisse Modulsteifigkeit, die sich nachteilig durch einen (Kunststoff-)Rahmen und die relativ schwere, ca. 3 bis 4 mm dicke Frontscheibe ergibt. Zudem besitzt die Frontscheibe schon aufgrund ihrer Dicke eine gewisse Absorption, was sich wiederum nachteilig auf den Wirkungsgrad des Solarmoduls auswirkt.
  • Als Folienmodule bezeichnet man die Einbettung von Solarzellen zwischen zwei Kunststofffolien, ggf. auch zwischen einer vorderseitigen, lichtdurchlässigen Folie und einem biegsamen Blech (Aluminium oder Edelstahl) auf der Rückseite. Beispielsweise bestehen Folienlaminate der Marke „UNIsolar®” aus auf dünnem Edelstahl-Blech aufgedampftem, amorphem Dünnschicht-Silizium, eingebettet zwischen zwei Kunststofffolien. Diese flexiblen Laminate müssen anschließend auf einer steifen Tragstrukturen wie beispielsweise Dachscharen aus Blech oder Dachelemente aus Metall-Sandwichverbunden geklebt werden. DE 10 2005 032 716 A1 beschreibt ein flexibles Solarmodul, dass nachträglich auf einer steifen Tragstruktur aufgebracht werden muss. Nachteilig ist hier der zusätzliche Arbeitsschritt, das nachträgliche Verkleben mit einer Tragstruktur.
  • Aufgrund der unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten des Kunststoffrahmens und des Glases traten in der Vergangenheit immer wieder Delaminationen und ein Eindringen von Feuchtigkeit in den inneren Bereich des Solarmoduls auf, die letztendlich zur Zerstörung des Moduls führten.
  • Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Solarmodul bereitzustellen, welches diese Nachteile des Standes der Technik vermeidet.
  • Das Solarmodul soll ein möglichst geringes Flächengewicht besitzen und gleichzeitig möglichst biegesteif sein, so dass keine oder nur eine sehr einfache Trag- oder Befestigungsstruktur erforderlich ist und es sich problemlos handhaben lässt. Ferner sollte das Solarmodul eine ausreichende Verbund-Langzeitstabilität ausweisen, die verhindert, dass Delaminationen und/oder Feuchtigkeitseintritt auftreten.
  • Diese Aufgabe wurde durch das erfindungsgemäße photovoltaische Solarmodul gelöst.
  • Gegenstand der Erfindung ist ein Solarmodul mit einem Strukturaufbau aus
    • a) einer transparenten der Lichtquelle zugewandten Schicht A) in Form einer Glasscheibe oder einer Kunststoffschicht,
    • b) einer Klebeschicht B) als Zwischenschicht und darin eingebetteten Solarzellen,
    • c) einem Sandwichelement C) aus mindestens einer Kernschicht und mindestens einer auf jeder Seite der Kernschicht befindlichen Außenschicht, gegebenenfalls mit Befestigungs- und elektrischen Anschlusselementen.
  • Es hat sich überraschend gezeigt, dass ein photovoltaisches Solarmodul mit einem solchen Strukturaufbau die gewünschten Eigenschaften in sich vereinigt.
  • Ein solcher Aufbau weist bedingt durch seine hinreichend hohe Biegesteifigkeit eine ausreichend hohe Stabilität auf. Durch diese ausreichend hohe Steifigkeit ist das Solarmodul leicht handhabbar und biegt auch nach längerer Zeit nicht durch (zum Beispiel bei einer beabstandeten Anbringung an nicht senkrechten Flächen).
  • Darüber hinaus ist der Unterschied des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Sandwichelements C) im Vergleich zu dem der transparenten Schicht A) und dem der Solarzellen sehr gering, so dass mechanische Spannungen kaum auftreten und die Gefahr der Delamination sehr gering ist.
  • Das Sandwichelement C) des erfindungsgemäßen Solarmoduls dient weiterhin der Abdichtung des Solarmoduls gegen äußere Einflüsse.
  • Mit einer zusätzlichen Sperrschicht, beispielsweise in Form einer Sperrfolie kann diese Abdichtung zusätzlich optimiert werden. Sie wird vorzugsweise bei der Herstellung des Sandwichelementes direkt mit aufgebracht und kann sich sowohl auf der der Klebeschicht abgewandten Seite des Sandwichelementes als auch zwischen Klebeschicht und Sandwichelement befinden. Die Sperrfolie kann beispielsweise in das Presswerkzeug eingelegt werden, bevor das Sandwichelement eingelegt wird. Die Sperrschicht kann auch durch InMold-Coating erzeugt werden, indem vor Einlegen des Sandwichelementes die Sperrschicht in das Presswerkzeug eingesprüht wird. Die Sperrfolie kann alternativ auch nachträglich auf das Sandwichelement aufgeklebt werden. Eine nachträgliche Umspritzung des Sandwichelementes mit einer Sperrschicht ist ebenfalls möglich.
  • Darüber hinaus kann über das Sandwichelement C) auch die Befestigung des Solarmoduls an den jeweiligen Untergrund (zum Beispiel Hausdächer oder -wände) erfolgen. Das Solarmodul weist daher vorzugsweise im Sandwichelement bereits integrierte Befestigungsmittel, Ausnehmungen und/oder Löcher auf, über welche eine Anbringung an den jeweiligen Untergrund erfolgen kann. Ferner erhält das Sandwichelement bevorzugt die elektrischen Verbindungselemente, so dass eine nachträgliche Anbringung z. B. von Anschlussdosen entfallen kann.
  • Das Sandwichelement C) basiert vorzugsweise auf Polyurethan (PUR), da hierbei besonders hohe Biegesteifigkeiten erhalten werden. Ein derartiges Sandwichelement C) besteht aus einer Kernschicht und beidseitig der Kernschicht angeordneten Faserschichten, die mit einem Polyurethanharz getränkt sind. Für die Herstellung des Sandwichelementes mit der angesprochenen Struktur kommen die bekannten Verfahren in Frage: NafpurTec-Verfahren, LFI/FipurTec-Verfahren bzw. Interwet-Verfahren, CSM-Verfahren und Laminier-Verfahren.
  • Das eingesetzte Polyurethanharz ist erhältlich durch Umsetzung von
    • 1) mindestens einem Polyisocyanat,
    • 2) mindestens einer Polyolkomponente mit einer durchschnittlichen OH-Zahl von 300 bis 700, die mindestens ein kurzkettiges und ein langkettiges Polyol enthält, wobei die Ausgangspolyole eine Funktionalität von 2 bis 6 aufweisen,
    • 3) Wasser,
    • 4) Aktivatoren,
    • 5) Stabilisatoren,
    • 6) gegebenenfalls Hilfs-, Trenn- und/oder Zusatzmitteln.
  • Als langkettige Polyole eignen sich vorzugsweise Polyole mit mindestens zwei bis höchstens sechs gegenüber Isocyanatgruppen reaktiven H-Atomen; vorzugsweise werden Polyesterpolyole und Polyetherpolyole eingesetzt, die OH-Zahlen von 5 bis 100, bevorzugt 20 bis 70, besonders bevorzugt von 28 bis 56 aufweisen.
  • Als kurzkettige Polyole eignen sich bevorzugt solche, die OH-Zahlen von 150 bis 2000, bevorzugt 250 bis 1500, besonders bevorzugt von 300 bis 1100 aufweisen.
  • Bevorzugt werden erfindungsgemäß höherkernige Isocyanate der Diphenylmethandiisocyanat-Reihe (pMDI-Typen), deren Prepolymere oder Abmischungen aus diesen Komponenten eingesetzt.
  • Wasser wird in Mengen von 0 bis 3,0, bevorzugt 0 bis 2,0 Gew.-Teile auf 100 Gew.-Teile Polyolformulierung (Komponenten 2) bis 6)) eingesetzt.
  • Zur Katalyse werden die an sich üblichen Aktivatoren für die Treib- und Vernetzungsreaktion, wie z. B. Amine oder Metallsalze verwendet.
  • Als Schaumstabilisatoren kommen vorzugsweise Polyethersiloxane, bevorzugt wasserlösliche Komponenten, in Frage. Die Stabilisatoren werden üblicherweise in Mengen von 0,01 bis 5 Gew.-Teilen, bezogen auf 100 Gew.-Teile der Polyolformulierung (Komponenten 2) bis 6)) angewandt.
  • Der Reaktionsmischung zur Herstellung des Polyurethanharzes können gegebenenfalls Hilfs-, Trenn- und Zusatzmittel zugesetzt werden, beispielsweise oberflächenaktive Zusatzstoffe, wie z. B. Emulgatoren, Flammschutzmittel, Keimbildungsmittel, Oxidationsverzögerer, Gleit- und Entformungsmittel, Farbstoffe, Dispergiermittel, Treibmittel und Pigmente.
  • Die Komponenten werden in solchen Mengen zur Umsetzung gebracht, dass das Äquivalenzverhältnis der NCO-Gruppen der Polyisocyanate 1) zur Summe der gegenüber Isocyanatgruppen reaktiven Wasserstoffe der Komponenten 2) und 3) sowie gegebenenfalls 4), 5) und 6) 0,8:1 bis 1,4:1, vorzugsweise 0,9:1 bis 1,3:1 beträgt.
  • Als Material für die Kernschicht des Sandwichelementes C) können beispielsweise Hartschäume, vorzugsweise Polyurethan(PUR)- oder Polystyrolschäume, Balsahölzer, Wellbleche, Abstandhalter (beispielsweise aus großporigen offenen Kunststoffschäumen), Wabenstrukturen, beispielsweise aus Metallen, getränkten Papieren oder Kunststoffen, oder aus dem Stand der Technik (z. B. Klein, B., Leichtbau-Konstruktion, Verlag Vieweg, Braunschweig/Wiesbaden, 2000, Seite 186 ff.) bekannte Sandwichkernmaterialien eingesetzt werden. Besonders bevorzugt sind auch formbare, insbesondere thermoformbare Hartschäume (z. B. PUR-Hartschäume) und Wabenstrukturen, die eine gewölbte oder eine dreidimensionale Formgebung des zu erzeugenden Solarmoduls ermöglichen. Weiterhin sind besonders Hartschäume mit guten Isolationseigenschaften bevorzugt. Das Element C), insbesondere die Kernschicht dient auch der Isolierung, insbesondere der thermischen Isolierung.
  • Als Fasermaterial für die Faserschichten können Glasfasermatten, Glasfaservliese, Glasfaserwirrlagen, Glasfasergewebe, geschnittene oder gemahlene Glas- oder Mineral-Fasern, Naturfasermatten und -gewirke, geschnittene Naturfasern, sowie Fasermatten, -vliese und -gewirke auf Basis von Polymer-, Kohlenstoff- bzw. Aramidfasern sowie deren Mischung eingesetzt werden.
  • Die Herstellung der Sandwichelemente C) kann so durchgeführt werden, dass zunächst auf die Kernschicht beidseitig eine Faserschicht aufgebracht wird, die mit den Polyurethanausgangskomponenten 1) bis 6) beaufschlagt wird. Alternativ kann der Faser-Verstärkungsstoff auch mit den Polyurethanrohstoffen 1) bis 6) durch geeignete Mischkopftechnik eingebracht werden. Der so hergestellte Rohling aus den drei Schichten wird in ein Formwerkzeug überführt, und die Form wird geschlossen. Durch die Reaktion der PUR-Komponenten werden die einzelnen Schichten miteinander verbunden.
  • Das Sandwichelement C) zeichnet sich durch ein geringes Flächengewicht von 1500 bis 4000 g/m2 und eine hohe Biegesteifigkeit von 0,5 bis 5 × 106 N/mm2 (bezogen auf 10 mm Probenbreite) aus. Insbesondere besitzt das Sandwichelement im Vergleich zu anderen Tragstrukturen aus Kunststoffen oder Metallen, wie beispielsweise Kunststoffblends (Polycarbonat/Acrylnitril-Butadien-Styrol, Polyphenylenoxid/Polyamid), Sheet-Moulding-Compound (SMC) oder Aluminium- und Stahlblech bei vergleichbaren Biegesteifigkeiten wesentlich niedrigere Flächengewichte.
  • Die transparente Schicht A) kann aus folgenden Materialien bestehen: Glas, Polycarbonat, Polyester, Polymethylmethacrylat, Polyvinylchlorid, fluorhaltigen Polymeren, Epoxiden, thermoplastischen Polyurethanen oder beliebigen Kombinationen dieser Materialien. Weiterhin können auch transparente Polyurethane auf Basis aliphatischer Isocyanate verwendet werden. Als Isocyante kommen HDI (Hexamethylendiisocyanat), IPDI (Isophorondiisocyanat) und/oder H12-MDI (gesättigtes Methylendiphenyldiisocyanat) zum Einsatz. Als Polyolkomponente kommen Polyether und/oder Polyesterpolyole zum Einsatz sowie Kettenverlängerer, wobei bevorzugt aliphatische Systeme verwendet werden.
  • Die Schicht A) kann als Platte, Folie oder Verbundfolie ausgestaltet sein. Auf die transparente Schicht A) kann bevorzugt noch eine transparente Schutzschicht aufgebracht werden, beispielsweise in Form eines Lackes oder einer Plasmaschicht. Durch eine derartige Maßnahme könnte die transparente Schicht A) weicher eingestellt werden, wodurch Spannungen im Modul weiter reduziert werden können. Den Schutz gegenüber äußeren Einflüssen würde die zusätzliche Schutzschicht übernehmen.
  • Die Klebschicht B) weist folgende Eigenschaften auf: hohe Transparenz im Bereich von 350 nm bis 1 150 nm, gute Haftung an Silizium und am Material der transparenten Schicht A) und am Sandwichelement C). Die Klebeschicht kann aus einer oder mehreren Klebefolien bestehen, die auf die Schicht A) und/oder das Sandwichelement auflaminiert werden.
  • Die Klebeschicht B) ist weich, um die Spannungen, die durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von transparenter Schicht A), Solarzellen und Sandwichelement C) entstehen, auszugleichen. Die Klebeschicht B) besteht vorzugsweise aus einem thermoplastischem Polyurethan, das gegebenenfalls eingefärbt sein kann.
  • Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Sandwichelements C) liegt bevorzugt bei 10 bis 20 × 10–6 K1, in Abhängigkeit von der Sandwichzusammensetzung und der Faserverstärkung.
  • Das Solarmodul weist vorzugsweise einen umlaufenden Polyurethan-Rahmen auf, der nachträglich durch RIM, R-RIM, S-RIM, RTM, Sprühen oder Gießen angebracht werden kann.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Solarmodule, dadurch gekennzeichnet, dass
    • i) ein Sandwichelement C) aus mindestens einer Kernschicht und mindestens einer auf jeder Seite der Kernschicht befindlichen Außenschicht und gegebenenfalls mit Befestigungs- und elektrischen Anschlusselementen vorgelegt wird,
    • ii) eine Klebeschicht B) in Form einer Kunststofffolie oder als Masse auf das Sandwichelement C) aufgebracht wird,
    • iii) die Solarzellen auf die Klebeschicht B) gelegt oder in die Klebeschicht B) eingebettet werden oder eine Solarfolie auf die Klebeschicht B) aufgebracht wird,
    • iv) eine transparente Kunststofffolie, die gegebenenfalls eine Klebeschicht B) aufweist, und/oder eine transparente Schicht A) auf die Solarzellen aufgebracht wird,
    • v) gegebenenfalls der vorgenannte Schichtaufbau gegebenenfalls unter Temperatureinfluss und/oder gegebenenfalls unter Anlegen eines Vakuums verpresst wird.
  • Das Sandwichelement C) kann entweder als fertiges verpresstes oder verbundenes Sandwichelement oder als nicht verbundenes Sandwichelement, bei dem die Schichten noch nicht verpresst oder verbunden sind, vorgelegt werden.
  • Das Verfahren kann auch so durchgeführt werden, dass zunächst die transparente Schicht A) (z. B. eine Kunststofffolie) vorgelegt wird. Anschließend wird eine Klebeschicht B) in Form einer Kunststofffolie oder als Masse auf die Schicht A) aufgebracht. Die Solarzellen oder die Solarfolie werden auf die Klebeschicht B) aufgelegt oder in die Klebeschicht B) eingebettet. Anschließend wird ein Sandwichelement C), das gegebenenfalls eine Klebeschicht B) aufweist, aufgebracht. Vorzugsweise wird anschließend gegebenenfalls unter Temperatureinfluss verpresst.
  • Das Verfahren kann auch so ausgeführt werden, dass zunächst ein fertiges Folienmodul aus den Schichten A) und B), welches die Solarzellen oder die Solarschicht bereits aufweist, in einem Presswerkzeug vorgelegt wird. Vorzugsweise besitzt dieses Folienmodul auf der dem aufzubringenden Sandwichelement zugewandten Seite eine Klebeschicht B) vorzugsweise aus thermoplastischem Polyurethan.
  • Alternativ kann auch ein noch nicht verbundenes Folienmodul vorgelegt werden, indem zunächst eine transparente Schicht A) vorgelegt wird. Anschließend wird eine Klebeschicht B) in Form einer Kunststofffolie oder als Masse auf die transparente Schicht A) aufgebracht. Anschließend werden die Solarzellen oder die Solarfolie auf die Klebeschicht B) aufgelegt oder in die Klebeschicht B) eingebettet. Anschließend wird gegebenenfalls eine weitere Klebeschicht B) – vorzugsweise aus einem thermoplastischen Polyurethan aufgebracht.
  • Auf das vorgelegte, fertig verbundene Folienmodul oder auf das nur vorgelegte, noch nicht verbundene Folienmodul wird dann ein ebenfalls bevorzugt noch nicht verpresstes Sandwichelement (vorzugsweise ein PUR-Sandwich) aufgelegt. Anschließend wird gegebenenfalls unter Erhöhung der Temperatur verpresst. Der Pressvorgang härtet das Sandwichelement aus und verbindet es im gleichen Arbeitsschritt mit dem Folienmodul. Wird ein noch nicht verbundenes Folienmodul vorgelegt, dient der Pressvorgang gleichzeitig zum Verbinden der Laminatschichten untereinander.
  • Ergänzend können vor dem Pressvorgang weitere Funktionsschichten und -elemente eingelegt und durch den Pressvorgang mit dem Solarmodul verbunden werden. Beispielsweise kann zwischen der Schicht B) und dem Sandwichelement C) eine Sperrfolie gegen Sauerstoff und Feuchtigkeit (z. B. PVF(Polyvinylfluorid)-PET (Polyethylenterephthalat)-PVF oder PVF-Aluminium-PVF-Verbundfolien) eingebracht werden. Gegebenenfalls besitzen diese Sperrfolien wiederum eine Klebeschicht zur guten Anhaftung an das Sandwichelement C). Alternativ können diese Sperrfolien auch auf die Rückseite (dem Licht abgewandten Seite) des Sandwichelements C) angebracht werden. Weiterhin besteht die Möglichkeit zur Verbesserung der thermischen Isolierung, auf die Rückseite des Sandwichelements C) eine zusätzliche Isolationsschicht, beispielsweise aus einem Polyurethanhartschaum anzubringen.
  • In einer weiteren Ausführungsform können bei der Herstellung des Sandwichelements C) Medienleitungen mit eingepresst werden. Diese Leitungen können beispielsweise aus Kunststoff oder Kupfer bestehen. Bevorzugt sind diese Leitungen nahe zur Schicht B) platziert und können über ein Wärme abtransportierendes Medium (z. B. Wasser) zur Kühlung des Solarmoduls verwendet werden. Durch eine innere Kühlung des Solarmoduls kann der elektrische Wirkungsgrad erhöht werden.
  • Die erfindungsgemäßen Solarmodule erzeugen Strom und wirken gleichzeitig als Isolationsschicht, so dass sie auch gut als Dacheindeckung genutzt werden können. Sie sind sehr leicht und gleichzeitig steif. Durch Pressen können sie auch in dreidimensionale Strukturen überführt werden, so dass sie an vogegebene Dachstrukturen gut angepasst werden können.
  • Anhand nachstehender 1 wird die Erfindung beispielhaft näher erläutert. In 1 besteht die Anordnung aus einer transparenten Klebeschicht 1, in der die über Zellverbinder 2 verbundenen Solarzellen 3 eingebettet sind. Darüber befindet sich eine transparente, UV-stabile, dünne Frontschicht 4, beispielsweise bestehend aus einer dünnen Glasscheibe. Rückseitig befindet sich das tragende Sandwichelement 5, bestehend aus einer Kernschicht 6 und durch Polyurethan gebundene Glasfaserschichten 7. In das tragende Sandwichelement sind Befestigungselemente 8 und eine elektrische Anschlussdose 9 integriert. An das Sandwichelement schließt sich eine Sperrfolie 10 an, die den Eintritt von Wasser und Sauerstoff unterbindet. Das Solarmodul weist einen umlaufenden Kantenschutz 11 aus elastomerem Polyurethan auf, der ein seitliches Eindringen von Wasser, Schmutz und Sauerstoff verhindert.
  • Beispiel
  • Es wurde ein Solarmodul aus den folgenden Einzelkomponenten gefertigt. Als Frontschicht wurde eine 125 um dicke Polycarbonat-Folie (Typ Makrofol® DE 1-4 von Bayer MaterialScience AG, Leverkusen) verwendet. Als Klebschicht dienten zwei 480 μm dicke EVA-Folien (Typ Vistasolar® der Firma Etimex, Rottenacker). Als Sandwichelement wurde ein Baypreg®-Sandwich verwendet. Hierzu wurde zunächst eine Papierwabe vom Typ Testliner 2 (A-Welle, Wabendicke 4,9–5,1 mm der Firma Wabenfarbik, Chemnitz) beidseitig mit einer Wirrfasermatte vom Typ M 123 mit einem Flächengewicht von 300 g/m2 (der Firma Vetrotex, Herzogenrath) belegt. Auf diesen Aufbau wurden anschließend beidseitig 300 g/m2 eines reaktiven Polyurethan-Systems mit einer Hochdruck-Verarbeitungsmaschine gesprüht. Es wurde ein Polyurethan-System der Bayer MaterialScience AG, Leverkusen bestehend aus einem Polyol (Baypreg® VP.PU 01IF13) und einem Isocyanat (Desmodur® VP.PU 08IF01) im Mischungsverhältnis 100 zu 235,7 (Kennzahl 129) verwendet. Der Aufbau aus der Papierwabe und den mit Polyurethan besprühten Wirrfasermatten wurde in einem auf 130°C temperierten Werkzeug 90 Sekunden zu einem 10 mm dicken Baypreg®-Sandwich-Verbund verpresst.
  • Die Einzelkomponenten in der Reihenfolge Polycarbonatfolie, EVA-Folie, 4 Silizium-Solarzellen, EVA-Folie und abschließend dem Baypreg®-Sandwich wurden zu einem Laminat zusammengelegt und in einem Vakuumlaminator (Firma NPC, Tokyo, Japan) bei 150°C zunächst 6 Minuten evakuiert und anschließend 7 Minuten bei 1 bar Druck zu einem Solarmodul verpresst.
  • Das so hergestellte Solarmodul wurde in einem Solarsimulator unter einem Standard-Spektrum (AM 1,5 g-Bedingungen) vermessen. Das unbewitterte Modul besaß einen Wirkungsgrad von 13,4% (+/–0,5%). Anschließend wurde in Anlehnung an IEC 61215 ein Klimawechseltest mit dem Modul durchgeführt. Es wurden 302 Klimawechsel-Zyklen (zwischen –40°C und +85°C) gefahren. Nach dieser Bewitterung betrug der im Sonnensimulator gemessene Wirkungsgrad 12,8% (+/–0,5%).
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Claims (7)

  1. Solarmodul aufgebaut aus a) einer transparenten der Lichtquelle zugewandten Schicht A) in Form einer Glasscheibe oder einer Kunststoffschicht, b) einer Klebeschicht B) als Zwischenschicht mit darin eingebetteten Solarzellen, c) einem Sandwichelement C) aus mindestens einer Kernschicht und mindestens einer auf jeder Seite der Kernschicht befindlichen Außenschicht und gegebenenfalls mit Befestigungs- und elektrischen Anschlusselementen.
  2. Solarmodul gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schichtaufbau einen Rahmen aus Kunststoff aufweist.
  3. Verfahren zur Herstellung von Solarmodulen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass i) ein Sandwichelement C) aus mindestens einer Kernschicht und mindestens einer auf jeder Seite der Kernschicht befindlichen Außenschicht und gegebenenfalls mit Befestigungs- und elektrischen Anschlusselementen vorgelegt wird, ii) eine Klebeschicht B) in Form einer Kunststofffolie oder als Masse auf das Sandwichelement C) aufgebracht wird, iii) die Solarzellen auf die Klebeschicht B) gelegt oder in die Klebeschicht B) eingebettet werden oder eine Solarfolie aufgebracht wird, iv) eine transparente Kunststofffolie A), die gegebenenfalls eine Klebeschicht B) aufweist, und/oder eine transparente Schicht A) auf die Solarzellen aufgebracht wird, v) gegebenenfalls der vorgenannte Schichtaufbau gegebenenfalls unter Temperatureinfluss und/oder gegebenenfalls unter Anlegen eines Vakuums verpresst wird.
  4. Verfahren zur Herstellung von Solarmodulen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass i) eine transparente Kunststofffolie A), die gegebenenfalls eine Klebeschicht B) aufweist, und/oder eine transparente Schicht A) vorgelegt wird, ii) eine Klebeschicht B) in Form einer Kunststofffolie oder als Masse auf die Schicht A) aufgebracht wird, iii) die Solarzellen auf die Klebeschicht B) gelegt oder in die Klebeschicht B) eingebettet werden oder eine Solarfolie aufgebracht wird, iv) ein Sandwichelement C) aus mindestens einer Kernschicht und mindestens einer auf jeder Seite der Kernschicht befindlichen Außenschicht auf die Solarzellen aufgebracht wird, v) gegebenenfalls der vorgenannte Schichtaufbau gegebenenfalls unter Temperatureinfluss und/oder gegebenenfalls unter Anlegen eines Vakuums verpresst wird.
  5. Verfahren zur Herstellung von Solarmodulen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass i) ein vorgefertigtes Folienmodul aus den Schichten A) und B), welches die Solarzellen oder die Solarschicht bereits aufweist, in einem Presswerkzeug vorgelegt wird, ii) ein Sandwichelement C), welches vorzugsweise noch nicht verpresst ist, auf die Seite des Folienmoduls aufgelegt wird, die die Klebeschicht aufweist, iii) gegebenenfalls unter Wärmeeinfluss und/oder gegebenenfalls unter Anlegen eines Vakuums verpresst wird.
  6. Verfahren zur Herstellung von Solarmodulen gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass i) ein noch nicht verbundenes Folienmodul vorgelegt wird, wobei zuerst die Schicht A) in das Presswerkzeug eingelegt wird, anschließend eine Klebeschicht B) aufgebracht wird und danach die Solarzellen oder die Solarfolie aufgebracht oder in die Klebeschicht B) eingebettet werden, ii) gegebenenfalls eine weitere Klebeschicht B) aufgebracht wird, iii) ein Sandwichelement C), welches vorzugsweise noch nicht verpresst ist, auf die Seite des Folienmoduls aufgelegt wird, die die Klebeschicht aufweist, iv) gegebenenfalls unter Wärmeeinfluss und/oder gegebenenfalls unter Anlegen eines Vakuums verpresst wird.
  7. Verwendung der Solarmodule gemäß Anspruch 1 als Dacheindeckung und als Dachisolationsmaterial.
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