Verfahren zur Herstellung witterungsbeständiger Laminate für die Einkapselung von Solarzellensystemen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung witte- rungsbeständiger Laminate für die Einkapselung von Solarzellensystemen sowie deren Verwendung für die Herstellung photovoltaischer Module .

Photovoltaische Module dienen zur elektrischen Energieerzeugung aus Sonnenlicht und bestehen aus einem Laminat, welches als Kernschicht ein Solarzellensystem wie z.B. Siliziumsolarzellen enthält. Diese Kernschicht ist mit Einkapselungsmaterialien umhüllt, um einen Schutz gegen mechanische und witterungsbedingte Einflüsse zu gewährleisten. Diese Materialien können aus ein oder mehreren Schichten, aus Glas und/oder Kunststofffolien und/oder Kunststoff- folienverbunden bestehen.

Verfahren zur Herstellung witterungsbeständiger Folienlaminate für die Einkapselung von photovoltaischen Zellen sind aus der WO-A- 94/29106, WO-A-01/67523 sowie der WO-A-00/02257 bekannt. Das Solarzellensystem ist in diesen Modulen nicht nur gegen mechanische Beschädigung, sondern auch gegen Wasserdampf und insbesondere auch gegen Witterungseinflüsse geschützt. Deshalb werden im Einkaps- elungsmaterial vorwiegend witterungsbeständige Kunststoffe, wie Folien aus Fluorpolymeren eingesetzt.

Diese Fluorpolymerfolien werden in einem separaten Verfahren, beispielsweise durch Extrusion oder Foliengießen hergestellt. Diese Verfahren sind allerdings energie- und kostenaufwändig.

Zudem ist die Herstellung der Fluorpolymerfolien auf Grund ihrer begrenzten Reißfestigkeit nur in bestimmten Mindestdicken möglich. Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art anzugeben, mit welchem witterungsbeständige Laminate auch in geringen Schichtdicken energie- und kostenschonend hergestellt werden können. Weiters soll trotz der geringen Schichtdicken eine zufriedenstellende Witterungsbeständigkeit für die Außenanwendung erzielt werden.

Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zum Herstellen witterungsbeständiger Laminate für die Einkapselung von Solarzellensystemen vorgeschlagen, welches dadurch gekennzeichnet ist, dass auf ein Trägermaterial zumindest eine witterungsbeständige KunststoffSchicht

aufgetragen wird.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen offenbart.

Die Erfindung betrifft weiters die Verwendung zumindest zweier nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Laminate zum Herstellen eines photovoltaischen Moduls, wobei an einem der Laminate das Solarzellensystem angebracht wird. Dieses Laminierverfahren kann kontinuierlich oder diskontinuierlich geführt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand beispielhafter Darstel- lungen - siehe Figuren 1 bis 4 - sowie möglicher Ausführungswege näher erläutert.

Fig. 1 zeigt den beispielhaften Aufbau eines photovoltaischen Moduls 18 mit dem durch das erfindungsgemäße Verfahren hergestellte ξinkapselungsmaterial 1, 1'. Das Einkapselungsmaterial 1, 1' be- stehen im wesentlichen aus einer witterungsbeständigen Schicht 2, 2' und einem Trägermaterial 4, 4', an welches eine Adhäsionsschicht 5, 5' als Haftvermittler zur Siegelschicht 6, 6' für das Solarzellensystem 7 angrenzt.

Fig. 2 zeigt den beispielhaften Aufbau eines Einkapselungs- materials 1, wie in Fig. 1 dargestellt, bei welchem zur weiteren Verbesserung der Witterungseigenschaften eine aus der Dampfphase abgeschiedene Oxidschicht 8 vorgesehen ist.

Fig. 3 zeigt eine mögliche Vorrichtung zum Auftragen der witterungsbeständigen Schicht 2,2' aus einer Polymerlösung. Fig. 4 zeigt eine mögliche Laminiereinrichtung zur Herstellung eines Vorverbundes 17 für einen photovolatischen Modul.

Zur Herstellung eines Einkapselungsmaterials 1 gemäß Fig. 1 bzw. Fig. 2 werden in einem ersten Verfahrensschritt auf das Trägermaterial 4, 4' eine witterungsbeständige Schichte 2, 2' und eine Adhäsionsschicht 5, 5' aufgetragen.

Die Beispiele a) bis d) geben mögliche Varianten für die Auswahl der Komponenten in den jeweiligen Schichten wieder:

Beispiel a) :

Witterungsbeständige Schicht 2, 2': Selektiv lösliche Fluor- polymere bzw. Fluor-Copolymere, Acrylate, Polyurethane, Silikone sowie Mischungen daraus für die Direktbeschichtung auf die Trägermaterialien 4, 4 ' ;

Kleberschicht 3, 3': Polyurethan, Polyester;

Trägermaterial 4, 4': Polyethylentherephthalat (PET), PoIy- ethylennaphthenat (PEN) , Ethylentetrafluorethylencopolymer (ETFE)

sowie Co-Extrudate daraus in Form von Folien oder Folienverbunden, Aluminiumfolien in unterschiedlichen Dicken;

Adhäsionsschicht 5, 5': Polyurethan, Polyacrylat oder oberflächenbehandelte Fluorpolymerschicht; Siegelschicht 6, 6': Ethylenvinylacetat (EVA), Polyvinylbuty- ral (PVB) , Ionomere, Polymethylmethacrylat (PMMA) , Polyurethan, Polyester oder Hot MeIt.

Beispiel b) :

Witterungsbeständige Schicht 2, 2': Selektiv lösliche Fluor- polymere bzw. Fluor-Copolymere, Acrylate, Polyurethane, Silikone sowie Mischungen daraus für die Direktbeschichtung auf vorbehandelte Trägermaterialien 4, 4';

Trägermaterial 4, 4': Polyethylentherephthalat (PET), PoIy- ethylennaphthenat (PEN) , Ethylentetrafluorethylencopolymer (ETFE) sowie Co-Extrudate daraus in Form von Folien oder Folienverbunden, Aluminiurafolien in unterschiedlichen Dicken;

Adhäsionsschicht 5, 5': Polyurethan, Polyacrylat oder oberflächenbehandelte Fluorpolymerschicht;

Siegelschicht 6, 6': Ethylenvinylacetat (EVA), Polyvinylbuty- ral (PVB), Ionomere, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polyurethan, Polyester oder Hot MeIt.

Beispiel c) :

Witterungsbeständige Schicht 2, 2': Selektiv lösli- che/dispergierfähige Fluorpolymere bzw. Fluor-Copolymere, mit einem Schmelzpunkt unterhalb der Laminiertemperatur für die Direktbeschichtung auf die Trägermaterialien 4, 4';

Kleberschicht : Polyurethan, Polyester;

Trägermaterial 4, 4': Polyethylentherephthalat (PET), PoIy- ethylennaphthenat (PEN) , Ethylentetrafluorethylencopolymer (ETFE) sowie Co-Extrudate daraus in Form von Folien oder Folienverbunden, Aluminiumfolien in unterschiedlichen Dicken;

Adhäsionsschicht 5, 5 ¹ : Polyurethan, Polyacrylat oder oberflächenbehandelte Fluorpolymerschicht;

Siegelschicht 6, 6': Ethylenvinylacetat (EVA), Polyvinylbuty- ral (PVB) , Ionomere, Polymethylmethacrylat (PMMA) , Polyurethan, Polyester oder Hot MeIt.

Beispiel d) :

Witterungsbeständige Schicht 2, 2': Selektiv lösli- che/dispergierfähige Fluorpolymere bzw. Fluor-Copolymere, mit einem Schmelzpunkt unterhalb der Laminiertemperatur für die Direktbe-

Schichtung auf ein vorbehandeltes Trägermaterial 4a, 4a';

Trägermaterial 4a, 4a': Polyethylentherephthalat (PET), PoIy- ethylennaphthenat (PEN), Ethylentetrafluorethylencopolymer (ETFE) sowie Co-Extrudate daraus in Form von Folien oder Folienverbunden, Aluminiumfolien in unterschiedlichen Dicken;

Adhäsionsschicht 5, 5': Polyurethan, Polyacrylat oder oberflächenbehandelte Fluorpolymerschicht ;

Siegelschicht 6, 6': Ethylenvinylacetat (EVA), Polyvinylbuty- ral (PVB) , Ionomere, Polymethylmethacrylat (PMMA) , Polyurethan, Polyester oder Hot MeIt.

Ein Trägermaterial 4, 4', welches gemäß Bespiele a) bis d) ausgewählt wird, wird mit einer witterungsbeständigen Schicht 2, 2' versehen. Die Polymere für die Herstellung der witterungsbeständigen Schicht 2, 2' werden gemäß Beispiele a) bis d) ausgewählt. Wird dabei wie in Beispiel c) und d) angeführt, als witterungsbeständige Schicht, vorwiegend ein Fluorpolymer bzw. Fluorcopolymer eingesetzt, so wird ein in seiner chemischen Konstitution einheitlicher Film erzeugt. Werden allerdings chemisch unterschiedliche Polymere, wie in den Beispielen a) und b) angeführt, eingesetzt, so ist es auch möglich, Polymermischungen für die witterungsbeständige Schicht 2, 2' zu verwenden. Dabei werden die eingesetzten Polymerrohstoffe in ihren Verhältniszahlen derart variiert, dass die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften der endgefertigten witterungsbeständigen Schicht 2, 2' beliebig modifiziert bzw. optimiert werden kann.

Zur Erhöhung der Witterungsbeständigkeit sowie auch zur Erhöhung der Verklebung gegenüber angrenzenden Verbundschichten kann das Trägermaterial vor dem Beschichten mit der witterungsbeständigen Schicht 2, 2' vorbehandelt werden. Die Vorbehandlung kann einerseits durch Auftragen eines zusätzlichen Klebers sowie anderseits durch Aufbringen einer aus der Dampfphase abgeschiedenen anorganischen Oxidschicht, vorzugsweise einer Siliziumoxidschicht erfolgen. Weiters ist es möglich, wie in Fig. 3 gezeigt, die Vorbehandlung des Trägermaterials 4, 4' mittels physikalischer Medien in der Anlage 10 durchzuführen. In der Folge wird das Trägermaterial 4, 4' zum Beschichten einem Auftragswerk 11 zugeführt, in welchem die witterungsbeständigen Kunststoffe in gelöster oder dispergierter Form vorliegen. Als Lösungsmittel werden aus Umwelt- sowie Entsorgungsgründen halogenfreie organische Lösungsmittel eingesetzt. Die Lösung oder Dispersion kann weiters Farbstoffe aufweisen.

Beim Beschichten hat es sich weiters als vorteilhaft erwiesen, Dispersionen einzusetzen, da beim Herstellen einer Dispersion der Lösungsmittelanteil wesentlich reduziert werden kann. Beispielsweise wird ein Fluorpolymer bei 40-100 'C und einer Rührgeschwindigkeit von mindestens 2800 U/min mittels Intensivrührer oder Dissolver unter Rückfluss in 2-Butanon gelöst. Diverse Füllstoffe bzw. Farbstoffe, wie Titandioxid oder Ruß können der Lösung bis zu einem Anteil von 35 % bezogen auf das eingesetzte Fluorpolymer zugesetzt werden, sodass eine Dispersion gebildet wird. Diese wird über die Auftrags- anläge 11 auf das Trägermaterial 4, 4', beispielweise eine vorbehandelte PET-Folie aufgebracht. Durch Einstellen des Walzenspaltes in der Auftragsanlage 11 wird die Schichtdicke der witterungsbeständigen Schicht 2, 2' gesteuert, welche beispielsweise in einem Bereich von 5 bis 50 μm liegt. Das so beschichtete Material 4, 4' wird anschließend über die Umlenkrollen 9a einem Trockner 12 zugeführt, in welchem das eingesetzte Lösungsmittel bei Temperaturen zwischen 80 ^° und 180 ^° C verdampft. Abluft und Temperatureinstellungen im Trockner werden so gewählt, dass eine blasenfreie, trockene Be- schichtung entsteht. Der Restlösungsmittelgehalt von 0,3 - 0,6 % wird als Kriterium für die genaue Temperatureinstellung herangezogen.

Das mit der Schicht 2, 2' versehene Trägermaterial 4, 4' wird weiters über eine Umlenkrolle 9b der Aufbewahrungsrolle 13 zugeführt und auf dieser aufgewickelt. In einem weiteren Verfahrensschritt kann nunmehr das einseitig mit der witterungsbeständigen Schicht 2, 2' versehene Trägermaterial 4, 4' an der noch unbeschichteten Oberflächenseite mit der Adhäsionsschicht 5, 5 ¹ beschichtet werden. Dies erfolgt unter Verwendung der in Fig. 3 gezeigten Anlage, wobei als Ausgangsprodukte Polyu- rethane sowie Fluorpolymere dienen. Die Fluorpolymere können nach dem Beschichten chemisch oder physikalisch oberflächenbehandelt werden.

Für die Herstellung des Einkapselungsmaterials 1, I ¹ wie in Fig. 1 gezeigt, wird nunmehr die Rollenware diskontinuierlich abge- längt und in üblichen Laminierverfahren mit der Siegelschicht 6, welche gemäß Beispiele a) bis d) ausgewählt werden kann, verbunden.

Durch das Laminierverfahren ist zwar ein Verbund der Schichten

2, 4, 5 und 6 bzw. 2', 4', 5' und 6' gegeben, jedoch erfolgt die weitere Aushärtung der im Verbund eingesetzten Kunststoffe bei der Endfertigung des photovoltaischen Moduls 17, welche, wie in Fig. 4

gezeigt, beispielsweise durch ein sogenanntes Rolle zu Rolle Verfahren erfolgen kann.

Dabei wird beispielsweise am Einkapselungsmaterial 1' das Solarzellensystem 7, bestehend aus flexiblen Solarzelltypen, an- gebracht. Von der gegenüberliegenden Aufbewahrungsrolle 9 wird eine weitere Einkapselungsmaterialschicht 1 abgezogen und dem Solarzellensystem 7 zugeführt. Dabei werden die von den Aufbewahrungsrollen 9 bzw. 9a abgezogenen Materialbahnen jeweils einer Heizstation 14 bzw. 14a zugeführt, in welcher die Einkapselungsmateria- len 1, 1' zumindest auf die Erweichungstemperatur der Siegelschicht 6, 6' erwärmt werden. Dadurch ist die Ausbildung eines Verbundes zwischen den Schichten 1, 1' einerseits sowie dem Solarzellensystem 7 andererseits im Walzenspalt der Kalanderstation 15 gewährleistet. Um das Aushärten dieses Verbundes und das gänzliche Vernetzen der in den Einkapselungsmaterialien eingesetzten Polymere zu erzielen, wird der Vorverbund einer Heizstation 16 zugeführt. Der Verbund 17 für einen photovoltischen Modul kann auf der Aufbewahrungsrolle 9b gelagert und von dieser entsprechend abgezogen werden.

Durch das erfindungsgemäße Beschichtungsverfahren können in einem photovoltaischen Modul 18, dessen Schichtaufbau in Fig. 1 gezeigt wird, relativ dünne Materiallagen, insbesondere was die witterungsbeständige Schicht 2, 2' anbelangt, erzielt werden.

Dies hat den Vorteil, dass bei Entsorgung der photovoltaischen Module der Anteil an fluorhältigen Polymeren im Vergleich zu han- delsüblichen Modulaufbauten reduziert werden kann.

Weiters ist es im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens möglich, nicht nur einen chemisch einheitlichen Polymerfilm für die Beschichtung 2, 2' zu erzeugen, sondern auch eine Mischung aus unterschiedlichen Polymerrohstoffen in variierenden Verhältnissen bereitzustellen. Wie aus dem Stand der Technik bekannt, war der Einsatz von Polymerfolien im wesentlichen auf einen Polymertypus beschränkt. Gemäß Erfindung kann jedoch eine Mischung für die witterungsbeständige Schicht 2, 2' bereitgestellt werden, bei welcher durch Auswahl und Anteil der eingesetzten Polymerrohstoffe die physikalischen und/oder chemischen Eigenschaften der endgefertigten

Beschichtung 2, 2' beliebig modifiziert und optimiert werden können.

Unabhängig davon ist die Herstellung verfahrensökonomisch, da die Dicke der witterungsbeständigen Schicht 2, Z' reduziert und damit der Anteil an relativ kostenaufwendigen Fluorpolymeren verrin- gert werden kann. Das Verfahren lässt sich in-situ durchführen, was

die Verfahrensführung wesentlich erleichtert. Durch Auswahl der eingesetzten Polymere und Lösungsmittel können Temperaturbereiche, welche vorteilhafterweise zwischen 80 und 180" C liegen, eingestellt werden, sodass auch eine energiesparende Verfahrensführung ermög- licht wird.

Des Weiteren kann, je nach Anwendungszweck, die Dicke der witterungsbeständigen Schicht 2, 2' eingestellt werden. Durch Einstellen dieser Schichtdicke sind eine Reihe von Anwendungsmöglich- keiten des photovoltaischen Moduls unter Verwendung der erfindungs- gemäß hergestellten Einkapselungsmaterialien möglich, welche von Kleinenergieanlagen für Notrufsäulen oder Wohnmobile bis hin zu großflächigen Dach- und Fassadenanlagen sowie auch Großanlagen und Solarkraftwerken reichen.