Herstellung

Die Erfindung betrifft ein photovoltaisches Modul aus mindestens einer Solarzelle und einer Trägerstruktur, wobei die Solarzelle von der Trägerstruktur durch einen Luftspalt beabstandet ist und wobei an einzelnen Punkten stoffschlüssige Verbindungen zwischen Solarzelle und Trägerstruktur nur vereinzelt existieren. Hierdurch werden photovoltaische Module bereitgestellt, bei denen die Menge an Kontaktmaterial für die stoffschlüssige Verbindung deutlich reduziert werden kann. Für den Aufbau von Solarmodulen müssen Solarzellen auf einer Trägerstruktur fixiert werden. Diese Trägerstruktur führt zu einer Stabilisierung der einzelnen Zellen sowie die gegenseitige Lage der Zellen und schützt die Zellen vor kritischen mechanischen Belas- tungen und ggf. auch vor Diffusion von korrosiven Stoffen wie Wasser oder Sauerstoff. Ebenso ermöglicht die Trägerstruktur ggf. eine elektrische Isolation.

In der Regel werden als Trägerstrukturen frontseitige Glasscheiben eingesetzt. Ebenso ist es aber auch möglich, dass eine rückseitige Trägerstruktur eingesetzt wird, wie z.B. ein Blech, das Wärme von der Solarzelle an ein rückseitiges Medium durchleiten kann, zur solarthermischen Nutzung.

Da Solarzellen im Betrieb erhebliche Mengen an Wärme abführen müssen, ist ein guter Wärmeübergang zwischen den Solarzellen und der Trägerstruktur vorteilhaft. Die elektrische Leistung der Solarzellen hat einen negativen Temperaturkoeffizienten, zudem belasten hohe Temperaturen die eingesetzten Materialien des pho- tovoltaischen Moduls . Besonders hohe Anforderungen hinsichtlich der Temperaturen bzw. der Wärmeabgabe existieren bei kombinierten solarthermischen Anwen- düngen sowie bei Konzentratoranwendungen .

Das Problem von linearen Wärmeausdehnungsdifferenzen zwischen der Solarzelle, die auf Basis von Silizium oder Kupfer konzipiert sein kann, und der Träger- struktur, die aus Glas, Aluminium oder Kupfer gefertigt sein kann, muss gelöst werden, da ansonsten thermo-mechanische Spannungen zu einem Materialversagen führen können. Je näher dabei die Solarzellen an der Trägerstruktur liegen, was einen verbesserten Wärmeübergang ermöglicht, desto schwieriger fällt in diesem System der Ausgleich der Wärmeausdehnungsdif- ferenzen .

Im Stand der Technik werden Solarzellen in der Regel auf eine Glasscheibe auflaminiert , wobei ein Einkap- selungsmaterial mit einer typischen Schichtdicke um 500 um verwendet wird. Auf der Rückseite wird mit Hilfe des gleichen Einkapselungsmaterials eine Rückseitenfolie aufgebracht. Derartige System sind aus der WO 00/46860 und der EP 1 030 376 bekannt. Eine Reduzierung der Schichtdicke des Einkapselungsmaterials ist bei derartigen Systemen aufgrund der thermo- mechanisehen Spannungen nicht möglich. Ein wesentlicher Nachteil derartiger Systeme ist somit der hohe Materialverbrauch an Einkapselungsmaterial pro Flä- che. Bei Anwendung von Solarzellen auf thermischen

Kollektoren muss die Schichtdicke wegen der deutlich höheren maximalen Temperatur von mindestens 150 °C sogar noch vergrößert werden. Im Stand der Technik wird als gängiges Einkapselungsmaterial Ethylen- Vinylacetat verwendet, das eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,2 bis 0,3 W/ (nK) aufweist. Hieraus folgt ein Wärmedurchgangskoeffizient um 500 W/ (m ² K) zwischen den Solarzellen und der Trägerstruktur. Für einen Wärmestrom von 750 W/m ² ist somit eine Tempera- turdifferenz von 1,5 °C notwendig. Bei doppelter

Schichtdicke erhöht sich diese auf 3 °C.

Ausgehend hiervon war es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein photovoltaisches Modul bereitzustellen, bei dem die Menge an zu verwendendem Einkapselungsma ^¬ terial drastisch reduziert werden kann, wobei gleichzeitig ein verbesserter Schutz vor thermo-mechani- schen Spannungen und ein verbesserter Wärmeübergang gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird durch das photovoltaische Modul mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und das Verfahren zu dessen Herstellung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Die weiteren abhängigen Ansprüche zeigen vorteilhafte Weiterbildungen auf. Erfindungsgemäß wird ein photovoltaisches (PV) Modul aus mindestens einer Solarzelle und einer Trägerstruktur bereitgestellt, wobei die Solarzelle von der Trägerstruktur durch einen Luftspalt beabstandet ist oder die Solarzelle bereichsweise auf der Trägerstruktur aufliegt und die mindestens eine Trägerstruktur mindestens eine lokal begrenzte Vertiefung aufweist. In dieser Vertiefung ist eine elastische, Stoffschlüssige Verbindung aus einem Kontaktmaterial zwischen Solarzelle und Trägerstruktur angeordnet.

Die erfindungsgemäße Lösung sieht somit vor, dass die Solarzelle punktuell mit der Trägerstruktur verbunden wird, so dass außerhalb dieser stoffschlüssigen Ver- bindungen ein minimaler Luftspalt zwischen den Solarzellen und der Trägerstruktur realisiert werden kann.

Der grundlegende Gedanke beruht darauf, an den punktuellen Verbindungsstellen durch lokale Vertiefungen in der Trägerstruktur eine erhöhte Fugenbreite zu erzielen. Die erhöhte Fugenbreite ermöglicht den Ausgleich von thermo-mechanischen Verschiebungen durch Verformung des Kontaktmaterials der stoffschlüssigen Verbindung innerhalb der Vertiefung.

Vorzugsweise basiert die stoffschlüssige Verbindung zwischen den Solarzellen und der Trägerstruktur auf physikalischen und/oder chemischen Wechselwirkungen. Hierzu zählen insbesondere Klebeverbindungen. Die stoffschlüssige Verbindung besteht dabei aus einem

Kontaktmaterial, das vorzugsweise aus einem temperaturbeständigen elastomeren Kunststoff besteht. Hierzu zählen bevorzugt Kautschuk-Materialien auf Basis von Silikon, Polyester, Polyurethan, Acrylat, Butyl, Ace- tat, Fluor. Aufgrund der erfindungsgemäßen Lösung kann der Abstand zwischen der Trägerstruktur und den Solarzellen auf weniger als 50 um, insbesondere auf 0,1 um bis 10 um reduziert werden.

Die Trägerstruktur weist dabei lokale Vertiefungen auf, die hinsichtlich ihrer Geometrie beliebig gewählt werden können. Die lokalen Vertiefungen weisen vorzugsweise eine Tiefe von 50 bis 500 um auf.

Vorzugsweise sind die lokalen Vertiefungen gebohrt und/oder geprägt. Hierbei ist es auch möglich, dass eine Platte mit durchgängigen Bohrungen auf der Solarzelle und/oder der Trägerstruktur angeordnet wird.

Es ist bevorzugt, dass die Trägerstruktur aus Glas, einem Kunststoff oder aus einem Metall besteht. Unter diesen Materialien sind rückseitig besonders Aluminium-, Kupfer- oder Stahlbleche bevorzugt. Vorderseitig sind Glas oder transparente Kunststoffe wie Acrylat,

Polycarbonat u.a. bevorzugt.

Es ist weiter bevorzugt, dass die Trägerstruktur und/oder die Solarzelle mit einer Schicht zur elekt- rischen Isolation, insbesondere aus einem Metalloxid oder einem organischen Material, z.B. einem Lack, belegt ist.

Eine erfindungsgemäße Variante sieht vor, dass die Trägerstruktur rückseitig von der Solarzelle angeordnet ist. Unter rückseitig ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die von der Solareinstrahlung abgewandte Seite der Solarzelle zu verstehen. In diesem Fall kann die Trägerstruktur eine solarthermische Absorberplatte darstellen, die bevorzugt aus einem metallischen Material besteht. Eine weitere erfindungsgemäße Variante sieht vor, dass die Trägerstruktur frontseitig von der Solarzelle angeordnet ist. Unter frontseitig ist im Rahmen der vorliegenden Erfindung die der Solarstrahlung zugewandte Seite der Solarzelle zu verstehen. Bei dieser Variante besteht die Trägerstruktur vorzugsweise aus Glas oder einem Kunststoff, wobei diese im Wellenlängenbereich von 300 bis 1200 nm im Wesentlichen transparent sind.

Erfindungsgemäß wird es so ermöglicht, dass die flächige Ausdehnung der Bereiche der stoffschlüssigen Verbindung auf der Solarzelle einen Flächenanteil von 0,003 % bis 30 %, insbesondere ^ 10 %, besonders bevorzugt ^ 2% ausmacht.

Durch den deutlich reduzierten Bedarf an Kontaktmaterial für die stoffschlüssige Verbindung, die sich auf 90 bis 99 % belaufen kann, werden erhebliche Kosten bei der Herstellung derartiger PV-Module eingespart. Ebenso wird es ermöglicht, dass besondere temperaturbeständige Kontaktmaterialien eingesetzt werden, um beispielsweise Solarzellen auf einer solarthermischen Absorberplatte zu fixieren, die im Stillstandbetrieb maximale Temperaturen von mindestens 150 °C erreichen kann. Gleichzeitig wird die Wärmeabgabe der Solarzelle an die Trägerstruktur verbessert, so dass der elektrische Ertrag und, in Kombination mit einer solarthermischen Absorberplatte, auch der Wärmeertrag steigt .

Erfindungsgemäß wird ebenso ein Verfahren zur Herstellung eines PV-Moduls, wie es zuvor beschrieben wurde, bereitgestellt, bei dem die stoffschlüssige

Verbindung durch Aufbringen eines Kontaktmittels in flüssiger oder pastöser Form auf der mindestens einen Solarzelle und/oder der Trägerstruktur und anschließende thermische oder photochemische Aushärtung erfolgt.

Vorzugsweise wird das Kontaktmittel dabei gedruckt, gesprüht und/oder dosiert. Anhand der nachfolgenden Figuren soll der erfindungsgemäße Gegenstand näher erläutert werden, ohne diesen auf die hier gezeigten spezifischen Ausführungsformen einschränken zu wollen . zeigt ein PV-Modul gemäß Stand der Technik . zeigt ein erfindungsgemäßes PV-Modul im Grundzustand, d.h. ohne thermo-mechani- sche Verschiebung. zeigt ein erfindungsgemäßes PV-Modul bei Vorliegen thermo-mechanischer Verschiebung . zeigt eine weitere Variante des erfindungsgemäßen PV-Moduls .

In Fig. 1 ist ein aus dem Stand der Technik bekanntes PV-Modul dargestellt. Hierbei werden die Solarzellen 1 mittels eines Kontaktmittels 2 auf der Trägerstruk- tur, hier in Form einer Trägerplatte 3, fixiert. Die

Trägerplatte stabilisiert dabei die einzelnen Solarzellen und ihre gegenseitige Lage und schützt die Solarzellen vor kritischen mechanischen Belastungen oder auch vor Diffusion von korrosiven Stoffen wie Wasser oder Sauerstoff. Ebenso kann durch die Trägerplatte eine elektrische Isolation erreicht werden. In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes PV-Modul dargestellt, bei dem Solarzellen 1 punktuell mit einer Trägerstruktur 3 verbunden sind. Dabei weist die Trä gerstruktur 3 Vertiefungen 5 auf, in denen über ein Kontaktmittel 4 eine stoffschlüssige Verbindung zu den Solarzellen hergestellt wird. Figur 2 zeigt dabe den Ausgangszustand des PV-Moduls ohne thermo- mechanische Verschiebung.

In Fig. 3 wird das gleiche erfindungsgemäße photovol taische Modul bei erhöhter Temperatur gezeigt. Hierbei ist der thermische Ausdehnungskoeffizient der Trägerstruktur 3 größer als der thermische Ausdehnungskoeffizient der Solarzelle 1. Durch die Verformung des Kontaktmittels der stoffschlüssigen Verbindung können die thermo-mechanischen Verschiebungen ausgeglichen werden. Dies ist bei den beiden äußeren stoffschlüssigen Verbindungen zu erkennen.

In Fig. 4 ist eine weitere Variante des erfindungsge mäßen PV-Moduls dargestellt. Bei dieser Ausführungsform ist die Trägerstruktur 3 ein Absorberblech. Auf der Trägerstruktur 3 ist ein Blech 6 mit Bohrungen angeordnet, wobei in den Bohrungen die Kontaktmittel 4 der stoffschlüssigen Verbindung zur Solarzelle 1 angeordnet sind.