DE102009059312A1

DE102009059312A1 - Solarzelle oder Solarzellenanordnung und Verfahren zur Herstellung für flächenartige Solarmodule

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Publication number: DE102009059312A1
Application number: DE102009059312A
Authority: DE
Inventors: Markus 01640 Münch; Stefan Dr. 01127 Tegen; Michael 01877 Meißner
Original assignee: Solarion AG
Current assignee: HOERMANN, MARKUS, DE
Priority date: 2009-12-23
Filing date: 2009-12-23
Publication date: 2011-06-30
Anticipated expiration: 2029-12-24
Also published as: DE102009059312B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle oder eine Solarzellenanordnung, die auf einem Trägermaterial angeordnet ist, für flächenartige Solarmodule und ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung. Aufgabe ist es, eine mechanisch ausreichende Stabilisierung der empfindlichen dünnen Solarzelle bzw. Solarzellenanordnung einschließlich deren Kontaktierung und Verschaltung sicher zu stellen, aber auch das einfache Entweichen von z. B. Wasserdampf oder und während der Fertigung zu ermöglichen. Die Solarzellen oder Solarzellenanordnungen, bei denen die aktive Schicht mit einer Dicke kleiner/gleich 100 μm ausgebildet ist, sind mit Hilfe einer Klebestoffschicht auf einem Trägermaterial fixiert und bilden damit ein Halbzeug für die weitere Verkapselung zu einem Solarmodul. Im Gegensatz zu den bisher aus dem Stand der Technik bekannten und darin beschriebenen technischen Lösungen ist erstmals das Trägermaterial für die Solarzellen oder Solarzellenanordnungen gasdurchlässig ausgebildet. Entscheidend ist hier, dass als Trägermaterial erfindungsgemäß ein gasdurchlässiges Material verwendet wird und dieses mittels eines während des Solarmodulverkapselungsprozesses niedrigviskosem Einbettungsmaterials mit dem Rückseitenmaterial des Solarmoduls verbunden wird. Damit ist sichergestellt, dass während des Verkapselungsprozesses die Entgasung der Klebstoffschicht zwischen Solarzelle und Trägermaterial großflächig durch das Trägermaterial hindurch erfolgen kann und im Volumen des Einbettungsmaterials zu den Solarmodulkanten gelangen und über diese austreten kann.

Description

Die Erfindung betrifft eine Solarzelle oder eine Solarzellenanordnung für flächenartige Solarmodule, wobei eine Art leicht handhabbares Halbzeug entsteht, welches das Halbzeug aus einer Solarzelle oder einer Solarzellenanordnung besteht, die auf einem Trägermaterial angeordnet ist und ein entsprechendes Verfahren zur Herstellung.
Die ständig vorrangig aus Kostengründen voranschreitende Minimierung des Materialeinsatzes bei photovoltaischen Solarzellen und -modulen führt dazu, dass diese in Form von waferbasierten Solarzellen in sehr geringen Materialdicken kleiner 100 μm gefertigt oder aber als Dünnschicht-, Farbstoff- oder organische Solarzellen auf entsprechend dünnen Substraten, wie beispielsweise Metall- oder Kunststofffolien, abgeschieden werden. Letztere Substrate weisen nicht selten eine Dicke im Bereich von nur 10 bis 100 Mikrometer auf.
Die auf diese Substrate aufgebrachten sehr dünnen photoelektrisch aktiven Schichten, die Schichtdicken im Bereich von einigen hundert Nanometern bis zu mehreren Mikrometern aufweisen, bilden gemeinsam mit dem Substratmaterial die eigentliche Solarzelle. Diese neigen meist aufgrund ihrer während der Herstellung eingebrachten Eigenspannungen zum Zusammenrollen und lassen sich teilweise nur schwer handhaben. Die Solarzellen können als Handhabungshilfe mit einer Klebstoffschicht versehen und anschließend auf ein Trägermaterial aufgeklebt werden. Geeignete Trägermaterialien wären an sich beispielsweise Gläser, Metall- oder Polymerfolien. Allerdings ist es dabei kaum möglich, Lufteinschlüsse zwischen Trägermaterial und Klebstoffschicht zu vermeiden. Weiterhin ist unter realen Fertigungsbedingungen auch mit dem Einschluss von Luft im Volumen der Klebstoffschicht sowie zwischen Klebstoffschicht und Solarzelle zu rechnen. Zudem ist es eine typische Eigenschaft von Klebstoffen und Polymermaterialien, Wasserdampf aufzunehmen und zu binden.
Die bereits beschriebenen, sehr dünnen Solarzellen müssen, wie beispielsweise in der Schrift gemäß der DE 10 2009 025 828 A1 dargestellt, in der Regel aufgrund ihrer geringen elektrischen Ausgangsspannung zu einer Solarzellenanordnung bzw. zu einem großflächigen Verbund positioniert, kontaktiert und verschaltet werden, um für die vorgesehene Anwendung ausreichend hohe elektrische Ausgangswerte hinsichtlich Strom, Spannung und Leistung bereit zu stellen. Im konkreten Anwendungsfall geschieht das durch das Auftragen von Leitpaste und/oder Leitkleber, die die elektrische Verbindung zwischen den einzelnen Solarzellen herstellen. Diese Leitpasten und Leitkleber erfordern für ihre Trocknung Temperaturen von ca. 150°C für mehrere Minuten in einem Umluftofen. Durch diese Wärmebehandlung kann es zur Expansion der durch die Verklebung eingeschlossenen Luft und zur Abgabe von gespeichertem Wasser in Form von Wasserdampf kommen. Diese Ausgasungen können nur schwer entweichen, da die Solarzellen auf einer geschlossenen Oberfläche aufgeklebt wurden und die Gasdiffusion in Querrichtung durch die Klebstoffschicht behindert wird. Die geringen Dicken der verwendeten Materialien und Substrate sowie die Verwendung von Kontakt- und Verschaltungsmaterialien führen weiterhin zu einer erhöhten mechanischen Empfindlichkeit der Solarzellen bzw. der gesamten Solarzellenanordnung im gesamten Handhabungs- und Herstellungsprozess. Üblicherweise erfolgt erst mit der endgültigen Verkapselung der Solarzelle oder der Solarzellenanordnung deren ausreichende mechanische Stabilisierung.
Ähnliche Probleme treten beim darauf folgenden Fertigungsschritt, der wetterfesten Verkapselung der Solarzellenmatrix auf dem Trägermaterial auf. Wird beispielsweise eine Glasscheibe als Trägermaterial, verwendet, auf dem sich die fertig verschaltete Solarzellenmatrix befindet, so wird auf diese ein Einbettungsmaterial in Form einer heißschmelzenden Folie, z. B. aus Ethylen-Vinylacetat oder Polyvinylbutyral aufgebracht und oben darauf ein Frontseitenglas positioniert. Dieses sogenannte Modulsandwich wird in einen Vakuumlaminator eingebracht. Dieser besteht aus zwei übereinander angeordneten benachbarten Vakuumkammern, die mittels einer dehnbaren Membran voneinander getrennt sind. Diese Membran ermöglicht ein Verpressen des Laminierguts durch gezielte Belüftung der oberen Vakuumkammer in einer späteren Prozessphase. In der unteren Kammer befindet sich eine Heizplatte, auf welche das Modulsandwich gelegt wird. Der Laminator wird geschlossen und die Kammern werden evakuiert. Die Heizplatte erwärmt das Modulsandwich auf ca. 150°C, was zum Erweichen und Schmelzen der Einbettungsfolien führt. Durch das anliegende Vakuum entweicht über das im geschmolzenen Zustand niedrigviskose Einbettungsmaterial, die zwischen den Solarzellen und dem Deckglas eingeschlossene Luft zum Rand des Modulsandwichs hin. Dagegen führt die gute Haftung der Klebstoffschicht zwischen Solarzellen und Trägerglas dazu, dass eingeschlossene Luft, im Kunststoff und der Klebstoffschicht gebundene Feuchtigkeit oder mögliche Reaktionsprodukte nur schwer beziehungsweise unvollständig entweichen können. In hermetisch dichten Aufbauten mit diffusionssperrenden Materialien (Glas, Metallfolien) können diese Gase auch über lange Zeiträume hinweg nicht entweichen. Mit zunehmender Akkumulation von Gasen in den vorhandenen Hohlräumen ist dadurch mit einer voranschreitenden Delamination zu rechnen, die auch zu Schädigungen des Solarzellenmaterials führen kann.
In der DE 101 64 273 A1 ist ein aus mehreren Schichten bestehendes flexibles photovoltaisches Solarmodul in Plattenform beschrieben. Die aktive Schicht besteht dabei aus einer oder mehreren Solarzellen üblicher Bauweise. Diese Solarzellen sind mit ihrer lichtempfindlichen Schicht direkt auf einer dünnen, in gewissen Grenzen biegbaren Spezialglasscheibe angeordnet und miteinander über elektrische Verbindungsbahnen kontaktiert. Die Kontaktierung ist dabei nach außen bis zu den Anschlüssen ausgeführt, an denen die elektrische Leistung abgenommen werden kann. Diese Solarzellen und die Verbindungsbahnen sind rückseitig mit einer hinteren sehr dichten, aber auch flexiblen Kunststofffolie kaschiert. Die hintere Kunststofffolie ist vollflächig ausgeführt und durch einen Kaschierungsvorgang werden die Solarzellen 1 und die Verbindungsbahnen vollständig umhüllt und auf der Spezialglasscheibe 2 positioniert und befestigt. Die dünne Spezialglasscheibe 2 ist vorderseitig mit einer weiteren vorderen Kunststofffolie 5 so beklebt, dass die beiden Kunststofffolien (Kunststofffolie 4 und Kunststofffolie 5) über die Glaskante der Spezialglasscheibe 2 hinausragen und miteinander wasserdicht verbunden sind. Dabei entsteht ein flexibles, in gewissen Grenzen biegbares Solarmodul, das ohne Probleme auch von Hand biegbar ist und auf gewölbten, insbesondere konvexen Oberflächen befestigt werden kann.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, bereits während der Herstellung sowohl eine mechanisch ausreichende Stabilisierung der empfindlichen dünnen Solarzelle bzw. Solarzellenanordnung einschließlich deren Kontaktierung und Verschaltung sicher zu stellen, als auch das einfache Entweichen von z. B. Wasserdampf oder anderen gasförmigen Stoffen aus dem Solarmodulverbund, insbesondere aber aus eingesetzten Klebstoffen, während des Herstellungsprozesses zu ermöglichen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des ersten und vierzehnten Patentanspruches gelöst. Die Solarzelle oder Solarzellenanordnung, welche aus waferbasierten Solarzellen oder aus Solarzellen, bei denen auf einem Substratmaterial photoelektrisch aktive Schichten aufgebracht sind, besteht, sind wie bekannt mit Kontaktelementen und/oder Leitungen zur elektrischen Verschaltung versehen. Die Solarzellen oder Solarzellenanordnungen bei denen die aktive Schicht mit einer Dicke kleiner/gleich 100 μm ausgebildet ist, sind mit Hilfe einer Klebestoffschicht auf einem Trägermaterial fixiert und bilden damit ein Halbzeug für die weitere Verkapselung zu einem Solarmodul. Im Gegensatz zu den bisher aus dem Stand der Technik bekannten und darin beschriebenen technischen Lösungen ist erstmals das Trägermaterial für die Solarzellen oder Solarzellenanordnungen gasdurchlässig ausgebildet. Entscheidend ist hier, dass als Trägermaterial erfindungsgemäß ein gasdurchlässiges Material verwendet wird und dieses mittels eines während des Solarmodulverkapselungsprozesses niedrigviskosem Einbettungsmaterials mit dem Rückseitenmaterial des Solarmoduls verbunden wird. Damit ist sichergestellt, dass während des Verkapselungsprozesses die Entgasung der Klebstoffschicht zwischen Solarzelle und Trägermaterial großflächig durch das Trägermaterial hindurch erfolgen kann und im Volumen des Einbettungsmaterials zu den Solarmodulkanten gelangen und über diese austreten kann. Somit ist erstmals möglich, dass große Mengen der in den verschiedenen Materialien gebundenen Feuchtigkeit sowie auch störende Ab- und Beiprodukte sicher entweichen können. Bei den meisten Klebstoffsystemen entstehen nämlich bei der Vernetzungsreaktion zusätzlich störende Ab- und Beiprodukte oder es wird bedingt durch die Lagerung unter Raumluftbedingungen Feuchtigkeit aufgenommen und akkumuliert. Diese Ab- und Beiprodukte sowie die gebundene Feuchtigkeit (ihren üblicherweise bei den in der Solarmodulfertigung üblichen Temperatur- und Vakuumprozessen, z. B. dem Vakuumlaminieren, aber auch danach in der eigentlichen praktischen Anwendung, zum Ausgasen. Wird hier ein Trägermaterial, wie beispielsweise eine gasundurchlässige Metallplatte oder -folie beziehungsweise eine Glasscheibe zur Stabilisierung der Solarzelle bzw. der Solarzellenanordnung in Verbindung mit einem Klebstoff verwendet, führt dies typischerweise zur Blasenbildung und gegebenenfalls zu Delaminationen, da im Verkapselungsprozess der Solarmodule, speziell beim Vakuumlaminieren, die Ab- und Beiprodukte sowie die Feuchtigkeit nicht ausreichend schnell entweichen können und die Klebkraft und Dichte des Klebstoffs dem Entgasungsvorgang genau entgegenwirken. Das erfindungsgemäße gasdurchlässige Trägermaterial dagegen erleichtert einerseits die Handhabung der Solarzelle bzw. Solarzellenverschaltung und unterstützt andererseits die zuverlässige Entgasung der jeweils verwendeten Materialien (Klebstoff und Substrat).
Besonders vorteilhaft ist es, wenn bei diesen neuartig aufgebauten Solarzellen oder Solarzellenanordnungen die Dicke der aufgebrachten Klebstoffschicht geringer ist als die Dicke des gasdurchlässigen Trägermaterials. Dies bewirkt, dass das Trägermaterial nicht durch die Klebstoffschicht getränkt wird und damit gut an das Einbettungsmaterial anbinden kann. Durch die geringere Klebstoffschichtdicke können die störenden Ab- und Beiprodukte bzw. verbliebene Feuchtigkeit besonders gut durch das Trägermaterial hindurch entweichen bzw. gespeichert werden, ohne dass dies schädliche Auswirkungen auf das aktive Solarzellenmaterial hat. Verbleiben nach dem Temperatur und Vakuumprozessen trotzdem noch geringe Mengen störender Ab- und Beiprodukte bzw. Feuchtigkeit in der fertig verkapselten Solarzelle oder Solarzellenanordnung können diese bei Auswahl eines geeigneten Trägermaterials nachträglich in die Schicht des Trägermaterials diffundieren und dort verbleiben, ohne dass es zur Blasenbildung oder Delamination kommt.
Eine weitere Verbesserung kann erreicht werden, wenn das eingesetzte gasdurchlässige Trägermaterial eine hohe Temperatur- und/oder Formstabilität im Bereich von –40°C bis +180°C aufweist. Bei diesen Ausführungen der Solarzellen oder Solarzellenanordnungen bleiben die für die Solarzellenverkapselung üblichen Temperaturen und im Betriebstemperaturbereich des Solarmoduls chemisch und physikalisch über sehr lange Zeiträume stabil, zumal wenn auch der Ausdehnungskoeffizient des Trägermaterials an die Ausdehnungskoeffizienten der photoelektrisch aktiven Schicht und das Substratmaterial der Solarzelle angepasst ist.
In einer anderen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Solarzelle oder Solarzellenanordnung besteht das gasdurchlässige Trägermaterial bevorzugt aus einem offenporigem oder mikrostrukturiertem ein- oder mehrschichtig ausgebildeten Kunststoff. Hier sind eine besonders gute Entgasung während des Vakuumlaminierprozesses und eine sehr gute Handhabbarkeit während des Herstellungsprozesses möglich.
Das neuartige gasdurchlässige Trägermaterial kann aber in einer anderen Art als textiles Material ausgebildet sein, das beispielsweise aus einem faserverstärkten Material oder einem Verbund von Fasern besteht. Dabei kann es sich um mit einem Fadensystem aufgebaute (z. B. gewebte, gewirkte oder gestrickte) oder vliesartige (beispielsweise gefilzte oder gewalkte) Textilien und/oder um ein kombiniertes Material aus beiden Systemen oder um ein Mehrfachsystem handeln.
Des Weiteren kann das eingesetzte gasdurchlässige textile Trägermaterial für die Solarzelle oder Solarzellenanordnung aus Glas- oder Kohlefasern aufgebaut sein. Aufgrund ihrer besonderen Eigenschaften, wie geringer chemischer Aktivität, Temperaturstabilität und niedriger thermischer Ausdehnungskoeffizienten eignen sich Glas- und Kohlefasern für eine ganze Reihe von speziellen Anwendungen.
Es ist zudem bei der erfindungsgemäßen Solarzelle oder Solarzellenanordnung denkbar, dass das gesamte gasdurchlässige textile Material als Flächengebilde oder dass die Fasern des Fadensystems oder des vliesartigen Systems oder das gesamte Trägermaterial mit einem Kunststoff beschichtet ausgebildet sind. Dies bringt Vorteile hinsichtlich einer Erhöhung der mechanischen Stabilität und Formbeständigkeit.
Auch können die Fasern des gasdurchlässigen textilen Materials in bestimmte Vorzugsrichtungen ausgerichtet im textilem Material angeordnet sein, und das textile Material mit den aufgeklebten Solarzellen oder Solarzellenanordnungen und dem Deckmaterial sind zu einem Solarmodul verkapselt. Damit können über die gerichtet ausgebildeten Fasern des gasdurchlässigen textilen Materials die auf das Modul wirkenden Kräfte in die Solarmodulbefestigung abgeleitet werden. Besitzen die gerichteten Fasern eine ausreichend hohe Zugfestigkeit und geringe Dehnung, so ist das Solarmodul in der Lage, erhebliche Zugkräfte in Faserrichtung aufzunehmen, ohne dass die einwirkenden Kräfte unmittelbar auf die Solarzelle bzw. die Solarzellenanordnung wirken. Das ermöglicht zum Beispiel ein unmittelbares freies direktes Aufspannen von Solarmodulen ohne zusätzliche Verstärkung, z. B. als Dachmembran, im Gegensatz zu den üblicherweise beim Bauen verwendeten Basismaterialien, wie Dachziegel, -steine und -bahnen, Bleche, Membranen und sonstige Dach- und Fassadenwerkstoffe, mit entsprechend aufmontierten Solarmodulen.
In einer bevorzugten Ausführung ist das gasdurchlässige Trägermaterial bei der Solarzelle oder Solarzellenanordnung flexibel ausgebildet. Dies hat den Vorteil, dass dann bei ebenfalls flexiblen aktiven Materialien auf beliebig gekrümmten Oberflächen laminiert werden kann bzw. dass bei Einsatz auch von flexiblen Front- und Rückseitenmaterialien ein sehr flexibles, und damit in verschiedene Richtungen verformbares Solarmodul hergestellt werden kann.
Für spezielle Anwendungen ist es auch denkbar, Solarzellen oder Solarzellenanordnungen auszuführen, dass als gasdurchlässiges Trägermaterial ein offenporiges keramisches oder metallisches Material eingesetzt ist. Als offenporiges metallisches Material könnte z. B. eine perforierte Metallfolie, ein Metallgewebe oder eine Metallschaumschicht dienen.
In Kombination mit dem neuartigen Einsatz von gasdurchlässigen Trägermaterialien bei den Solarzellen oder Solarzellenanordnungen können nunmehr, je nach Anwendungsgebiet verschiedene Klebstoffe eingesetzt werden. Die Klebstoffschicht kann wahlweise ausgebildet werden etwa als eine Schmelzklebstoffschicht, oder als eine thermisch vernetzbare Klebstoffschicht, oder als eine drucksensitive Klebstoffschicht, oder als eine lösemittelbasierte Klebstoffschicht, oder als eine aus zwei oder mehreren Komponenten bestehende reaktiv vernetzende Klebstoffschicht, oder als eine strahlungshärtende Klebstoffschicht, oder als eine Kombination oder auch als ein Verbund verschiedenartiger Klebstoffschichten untereinander. Die Wahl des Klebstoffes ist dabei abhängig von der Art des gasdurchlässigen Materials und kann auch die Dauer des Vakuumlaminierprozesses beeinflussen.
Es ist möglich und vorteilhaft, dass bei erfindungsgemäßen Solarzellen oder Solarzellenanordnungen die Kontaktelemente und/oder Leitungen zur elektrischen Verschaltung der Solarzelle oder Solarzellenanordnung in das gasdurchlässige Trägermaterial eingearbeitet oder auf diesem z. B. ebenfalls mittels eines Klebstoffes aufgebracht sind, was die weitere Verarbeitung des entstehenden Halbzeuges hinsichtlich der elektrischen Kontaktierung deutlich vereinfacht und den Herstellungsprozess beschleunigt. Diese Kontaktelemente und Leitungen können beispielsweise durch Aufkleben, Aufdrucken oder Aufdispensieren leitfähiger Materialien aufgebracht werden. Bei textilen Trägermaterialien besteht weiterhin die Möglichkeit, Leiterbahnen durch Einweben oder Versticken leitfähiger Fäden einzuarbeiten.
Beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle oder Solarzellenanordnung, welche mit Hilfe von Klebestoff auf einem Trägermaterial fixiert ist und damit ein Halbzeug für die weitere Verarbeitung zu einem Solarmodul bildet, wird zunächst die Solarzelle bzw. die Solarzellenanordnung und/oder das Trägermaterial mit einer Klebstoffschicht versehen. Anschließend werden die Solarzelle bzw. die Solarzellenanordnung genauestens ausgerichtet, positioniert und zusammengefügt. Auf die Solarzelle bzw. die Solarzellenanordnung werden dann die Verschaltung einschließlich Kontaktelemente und/oder Leitungen aufgebracht, womit die elektrische Verbindung der Solarzellen realisiert wird. Anschließend wird, wie bereits bekannt, diese Anordnung in ein Einbettungsmaterial eingebracht, das auf einem gasdichten Rückseitenmaterial aufgebracht ist. Dann wird die Anordnung vorderseitig mit einem Einbettungsmaterial beschichtet und mit einem Deckmaterial vorderseitig abgedeckt und abgedichtet. Zum Schluss wird laminiert. Während eines Vakuumlaminierprozess können die schädlichen Ab- und Beiprodukte bzw. die noch enthaltene Feuchtigkeit über das Einbettungsmaterial an den Seitenkanten entweichen.
Für die Herstellung von teiltransparenten Modulen kann durch die Auswahl des Trägermaterials entsprechend dessen Lichtdurchlässigkeit Einfluss auf die Streuung und/oder Dämpfung des Lichtes in den teiltransparenten Bereichen des Solarmoduls genommen werden. Hier gibt es beispielsweise bei den eingesetzten gasdurchlässigen Geweben erheblichen Spielraum bei deren Maschenweite, Dichte, Faserdurchmesser und Farbe, wodurch besondere optische Effekte erzielt werden können.
Durch die Erfindung wird es erstmals möglich, mittels einer einzigen Technologie und einem erfindungsgemäßen Aufbau von Solarzellen oder Solarzellenanordnungen ein Halbzeug zu schaffen, welches sowohl für die Herstellung flexibler Solarmodule als auch für starre Solarmodule geeignet ist. Weiterhin können gleichzeitig mehrere kleinflächige Solarmodulverschaltungen auf einem großflächigen Trägermaterial vorgefertigt werden, was zur Reduzierung der Herstellungskosten und einer höheren Flexibilität der Fertigung führt. Dünne Trägermaterialien mit ihrer besonders niedrigen spezifischen Wärmekapazität erlauben weiterhin ein sehr energiesparendes Trocknen oder Sintern von auf die Solarzellen bzw. die Solarzellenanordnung aufgebrachten Leitklebstoffen, Leitpasten und/oder sonstigen Beschichtungen.
Die Erfindung soll nachstehend in einem Ausführungsbeispiel an Hand der 1 näher erläutert werden. Als Beispiel dient eine Solarzelle oder eine Solarzellenanordnung 1, die wie folgt aufgebaut und hergestellt ist. Eine Kunststofffolie aus Polyimid, beispielsweise mit einer Dicke von 25 μm, wird als Substratmaterial 2 für die Herstellung von Dünnschicht-Solarzellen verwendet. Mittels Magnetron-Sputtern wird auf das Kunststoffsubstrat eine elektrische Kontaktschicht aus Molybdän mit einer Dicke von einigen hundert Nanometern abgeschieden. Auf diese Schicht erfolgt in einem weiteren Fertigungsschritt der Auftrag einer Absorberschicht aus Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid. Dafür wird das Verfahren der Vakuum-Koverdampfung für Kupfer, Indium und Gallium angewendet. Das Selen wird ionisiert und in Form eines Ionenstrahls in die Beschichtungszone eingebracht. Auf die Absorberschicht wird eine weitere Schicht aus Cadmiumsulfit mittels nasschemischer Beschichtung aufgetragen. Letztendlich erfolgt mittels Magnetron-Sputtern die Abscheidung einer transparenten und leitfähigen Oxidschicht aus Zinkoxid. Für eine wirtschaftliche Umsetzung der Technologie wird die Substratfolie im Rolle-zu-Rolle-Verfahren gehandhabt und beschichtet. Im letzten Schritt der Solarzellenfertigung werden gezielt Isolations- und Verschaltungsstrukturen in den Solarzellenschichtaufbau eingebracht und Sammelleiter und Kontaktfinger auf die Solarzelle mittels Siebdruck unter Verwendung von Leitpasten aufgetragen, sowie die einzelnen Solarzellen aus dem Band separiert. Die so entstandene Dünnschicht-Solarzelle hat eine Gesamtdicke von nur ca. 35 μm Dicke.
Erfahrungsgemäß kommt es aufgrund der unterschiedlichen Schichten und Materialien, deren verschiedenen Abscheidetemperaturen und unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten immer zu erheblichen Verspannungen, die zum Zusammenrollen dieser sehr dünnen Solarzellen führen. Um eine Handhabbarkeit zu gewährleisten und eine Positionierung in einem größeren Solarmodulverbund zu ermöglichen, werden die Solarzellen 1 auf der nicht lichtempfindlichen Seite mit einer druckempfindlichen Klebstoffschicht 3 mit einer Dicke zwischen 10 und 30 μm versehen. Manuell oder mit Hilfe eines Roboters können nun die Solarzellen auf einem gasdurchlässigen Trägermaterial 4 zu einer Solarzellenmatrix angeordnet werden.
Wird als Trägermaterial als das erfindungsgemäß gasdurchlässige Trägermaterial 4, zum Beispiel ein entsprechendes Glasgewebe, eingesetzt und die Solarzellen 1 auf dieses aufgeklebt, wird schon beim Trocknungsprozess der Leitpasten sicher gestellt, dass Ausgasungen aus der Klebstoffschicht durch das Trägermaterial 4 hindurch entweichen können. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass das Glasgewebe im Vergleich zu den sonst üblichen Glasscheiben mit einer Dicke von drei bis vier Millimeter eine deutlich geringere Wärmekapazität aufweist und damit weniger Energie und Zeit für die Trocknung der Verschaltung notwendig ist. Beim Laminiervorgang ergeben sich ebenfalls Vorteile. Das Modulsandwich wird nun in der folgenden Reihenfolge von der dem Sonnenlicht abgewandten zu der dem Sonnenlicht zugewandten Seite aufgebaut: Rückseitenglas (Rückseitenmaterial 7) – Einbettungsmaterial 10 – Trägermaterial 4 mit Solarzellenmatrix (Solarzelle bzw. einer Solarzellenanordnunglund Klebstoffschicht 3) – Einbettungsmaterial 10 – Frontseitenglas (Deckmaterial 6).
Dieses Modulsandwich wird in den Laminator eingebracht, auf ca. 150°C aufgeheizt und evakuiert. Bedingt durch den Unterdruck entgast der sich zwischen den Solarzellen 1 und dem Trägermaterial 4 befindliche Klebstoffschicht 3 direkt durch das Trägermaterial 4 und das aufgeschmolzene, zu diesem Zeitpunkt niedrigviskose Einbettungsmaterial 10 in Richtung Solarmodulrand und kann aus dem Solarmodulsandwich daher seitlich entweichen. Die Klebekraft der Klebstoffschicht 3 steht nunmehr der Entgasung nicht mehr entgegen. Insbesondere die Verwendung eines Glasgewebematerials als gasdurchlässiges Trägermaterial ist aufgrund seiner Flexibilität geeignet, eine Art leicht handhabbares Halbzeug sowohl für die Herstellung von starren als auch flexiblen Solarmodulen 11, äußerst kostengünstig in hoher Qualität und mit kurzen Fertigungszeiten zu ermöglichen.
1 zeigt in einer Querschnittsdarstellung einen beispielhaften Aufbau eines Solarmoduls 11 mit einer Solarzelle bzw. einer Solarzellenanordnung 1, wobei die aktive photoelektrische Schicht der Solarzelle bzw. einer Solarzellenanordnung 1 auf dem Substratmaterial 2 aufgebracht ist. Diese Solarzelle bzw. einer Solarzellenanordnung 1 ist mittels einer Klebstoffschicht 3 auf einem gasdurchlässigen Trägermaterial 4, hier bestehend aus Glasgewebe mit gerichteten Fasern 8, aufgeklebt. Die im Inneren des Trägermaterials 4 ausgebildeten gerichtete Fasern 8 sind so ausgerichtet angeordnet, dass diese die von außen (oben) auf das gesamte Solarmodul 11 wirkenden Kräfte seitlich in die Halterung 9 des Solarmoduls 11 ableiten. Die elektrische Verschaltung der einzelnen Solarzellen bzw. der Solarzellenanordnung 1 untereinander bzw. der Anschluss nach außen erfolgt hier zum einem erfindungsgemäß sowohl aufliegend auf dem gasdurchlässigen Trägermaterial 4 und zum anderem im Inneren des gasdurchlässigen Trägermaterials 4 z. B als Anschlussleitung. Die gesamte zusammengebaute Anordnung aus Solarzelle bzw. Solarzellenanordnung 1, das Substrat 2, mit der Klebstoffschicht 3, dem gasdurchlässigen Trägermaterial 4 und den Kontaktelementen und/oder Leitungen zur Verschaltung 5 sind vom Einbettungsmaterial 10 umhüllt. Diese Anordnung liegt zwischen dem Rückseitenmaterial 7 und dem Deckmaterial 6. Beim Vakuumlaminieren mit erhöhter Temperatur kann der gesamte Aufbau über das dann niedrigviskose Einbettungsmaterial 10 nach allen Seiten des Solarmoduls 11 entgasen. Beim Aushärten des Einbettungsmaterials entsteht ein fester Verbund der einzelnen Materialien, wobei vor allem die aufnehmbaren Flächenlasten des fertigen Solarmoduls 11 aufgrund der gerichteten Fasern 8 erheblich höher als bisher sein können und bedeutend besser in die seitlich angeordnete Halterung 9 abgeleitet werden können. Diese Anordnung ist sowohl für starre als auch für flexible Solarmodule anwendbar.
Bezugszeichenliste

1: Solarzelle oder Solarzellenanordnung
2: Substratmaterial
3: Klebstoffschicht
4: Trägermaterial
5: Kontaktelemente und/oder Leitungen zur elektrischen Verschaltung
6: Deckmaterial
7: Rückseitenmaterial
8: Gerichtete Fasern
9: Halterung
10: Einbettungsmaterial
11: Solarmodul

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102009025828 A1 [0004]
DE 10164273 A1 [0006]

Claims

Solarzelle oder Solarzellenanordnung, bestehend aus waferbasierten Solarzellen mit einer Dicke kleiner/gleich 100 μm oder aus Solarzellen, bei denen auf einem Substratmaterial photoelektrische Schichten mit einer Dicke kleiner/gleich 100 μm aufgebracht und angeordnet sind, mit Kontaktelementen und/oder Leitungen zur elektrischen Verschaltung, wobei die Solarzelle oder die Solarzellenanordnung mit Hilfe einer Klebestoffschicht auf einem Trägermaterial fixiert ist und damit ein Halbzeug für die weitere Verkapselung zu einem Solarmodul bildet, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial gasdurchlässig ausgebildet ist.
Solarzelle oder Solarzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dicke der aufgebrachten Klebstoffschicht geringer ist als die Dicke des Trägermaterials.
Solarzelle oder Solarzellenanordnung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial eine hohe Temperatur- und/oder Formstabilität im Bereich von –40°C bis +180°C aufweist.
Solarzelle oder Solarzellenanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial aus einem offenporigem oder mikrostrukturiertem ein- oder mehrschichtig ausgebildeten Kunststoff besteht.
Solarzelle oder Solarzellenanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial als textiles Material ausgebildet ist.
Solarzelle oder Solarzellenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial als ein textiles Material aus einem Fadensystem aufgebaut ist oder als ein vliesartiges System aufgebaut ist und/oder ein kombiniertes Material aus beiden Systemen oder als ein Mehrfachsystem aufgebaut ist.
Solarzelle oder Solarzellenanordnung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das textile Material aus Glas- oder Kohlefasern aufgebaut ist.
Solarzelle oder Solarzellenanordnung nach Anspruch 5, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das gesamte textile Material als Flächengebilde oder dass die Fasern des Fadensystems oder des vliesartigen Systems oder das gesamte Trägermaterial mit einem Kunststoff beschichtet sind.
Solarzelle oder Solarzellenanordnung nach Anspruch 5, 6, 7, oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Fasern des textilen Materials in bestimmte Vorzugsrichtungen ausgerichtet im textilem Material angeordnet sind und dass das textile Material, mit den aufgeklebten Solarzellen oder Solarzellenanordnungen und dem Deckmaterial zu einem Solarmodul so verkapselt sind, dass über die gerichtet ausgebildeten Fasern des textilen Materials, die auf das Modul wirkenden Kräfte in die Solarmodulbefestigung abgeleitet werden.
Solarzelle oder Solarzellenanordnung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial flexibel ausgebildet ist.
Solarzelle oder Solarzellenanordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägermaterial als ein offenporiges keramisches oder metallisches Material ausgebildet ist.
Solarzelle oder Solarzellenanordnung nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Klebstoffschicht als eine Schmelzklebstoffschicht, oder als eine thermisch vernetzbare Klebstoffschicht, oder als eine drucksensitive Klebstoffschicht, oder als eine lösemittelbasierte Klebstoffschicht, oder als eine aus zwei oder mehreren Komponenten bestehende reaktiv vernetzende Klebstoffschicht, oder als eine strahlungshärtende Klebstoffschicht, oder als eine Kombination oder ein Verbund verschiedenartiger Klebstoffschichten ausgebildet ist.
Solarzelle oder Solarzellenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktelemente und/oder Leitungen zur elektrischen Verschaltung der Solarzelle oder Solarzellenanordnung in das Trägermaterial eingearbeitet oder auf dieses aufgebracht sind.
Verfahren zur Herstellung einer Solarzelle oder Solarzellenanordnung, welche mit Hilfe von Klebestoff auf Trägermaterial fixiert ist, und damit ein Halbzeug für die weitere Verarbeitung zu einem Solarmodul bildet, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle bzw. die Solarzellenanordnung und/oder das Trägermaterial mit einer Klebstoffschicht versehen werden und anschließend ausgerichtet, positioniert und zusammengefügt werden und dann das Verschalten der Solarzellen auf dem gasdurchlässigen Trägermaterial erfolgt.