[发明专利]轻质、刚性和自支承的太阳能模块及其制造方法

说明书

技术领域

本发明涉及光伏太阳能模块及其制造方法。

背景技术

太阳能模块被理解为用于由日光直接产生电流的部件。对于节约成本地产生太阳能的关键因素是所使用的太阳能电池的效率，以及太阳能模块的制造成本和耐久性。

太阳能模块通常由玻璃制的框架复合结构、互连的太阳能电池、包埋材料和背侧结构构成。太阳能模块的各个层满足如下功能。

前玻璃用于保护免受机械和天气影响。该前玻璃必须具有最高的透明度，以便将从300nm至1150nm光谱范围内的吸收损失以及由此将通常用于产生电流的硅太阳能电池的效率损失保持得尽可能低。通常使用低铁硬化白玻璃(3mm或4mm厚)，所述白玻璃在上述光谱范围中的透射率在90％至92％。此外，玻璃为模块的硬度提供了显著贡献。

包埋材料(大多数使用EVA(乙烯-醋酸乙烯酯)膜)用于粘合整个模块复合结构。EVA在层压过程期间在大约150℃时融化，流入所焊接的太阳能电池的空隙中并且热交联。通过在真空下进行层压避免了导致反射损失的气泡的形成。

模块背侧保护太阳能电池和包埋材料免受潮气和氧气影响。此外，该模块背侧用作在安装太阳能模块时防止刮伤等的机械保护和用作电隔离。作为背侧结构可以使用另一玻璃片或复合膜。在此，基本上使用变体PVF(聚氟乙烯)-PET(聚乙烯对苯二酸酯)-PVF或PVF-铝-PVF。

在太阳能模块结构中使用的封装材料尤其是必须具有相对于水蒸气和氧气的良好防渗性。太阳能电池本身并不受到水蒸气或氧气的侵蚀，但导致金属接触部的腐蚀和EVA包埋材料的化学退化。受损的太阳能电池接触部导致模块的完全故障，因为通常所有太阳能电池在模块中电串联。EVA的退化表现为模块变黄，与由于光吸收引起的相应的性能降低以及视觉劣化相关联。目前，所有模块的大约80％在背侧上以所述复合膜之一进行封装，在太阳能模块的大约15％中玻璃被用于前侧和背侧。在此情况下，有时使用高度透明的、但是仅仅缓慢(若干小时)硬化的浇注树脂而非EVA作为包埋材料。

为了在尽管投资成本比较高的情况下实现太阳能的有竞争力的电生产成本，太阳能模块必须实现长的运行时间。因此，目前的太阳能模块被设计为20年至30年的使用寿命。除了高的气候稳定性之外，还对模块的温度承受力提出高要求，所述模块的温度在运行中可以周期性地在完全阳光照射情况下的80℃至凝固点以下的温度之间波动。因此，太阳能模块经受大量的稳定性测试(根据IEC 61215和IEC 61730的标准)，气候测试(UV辐射、湿热、温度变化)以及冰雹测试和电绝缘能力测试都属于稳定性测试。

光伏模块的总成本的比较高的比例以总成本的30％分摊到模块制造上。模块制造的高比例是由高的材料成本(例如背侧多层膜)和长的处理时间——即低的生产率——造成的。通常，模块复合结构的上述各个层仍旧手工组装和调整。此外，EVA热熔粘合剂的比较缓慢的熔融和模块复合结构的层压在大约150℃且在真空下导致每模块大约20分钟至30分钟的周期时间。

由于前玻璃片比较厚，所以传统的太阳能模块还具有高重量，该高重量又使得稳定且昂贵的保持结构称为必需。在目前的太阳能电池模块的情况下只是不令人满意地解决了散热。在完全阳光照射的情况下，模块发热高达80℃，这导致太阳能电池效率的由温度造成的劣化并且由此最后导致太阳能的价格提高。

在现有技术中，太阳能模块主要与由铝构成的框架一起使用。尽管在此涉及轻金属，但其重量对于总重量仍旧起到了不可忽略的作用。这恰恰在较大模块的情况下具有要求复杂的保持和固定结构的缺点。

为了防止水和氧气进入，所述铝框架在其朝向太阳能电池模块的内侧上具有附加的密封件。此外不利的是，铝框架由矩形材制造并且因此在其造型方面受到极大限制。

为了减轻太阳能模块重量，为了避免附加的密封材料和为了提高设计自由度，US 4,830,038和US 5,008,062描述了围绕相关的太阳能模块安置塑料框架，该塑料框架通过RIM方法(Reaction Injection Molding反应注射成型)来获得。

优选地，所使用的聚合材料是弹性聚安酯。所述聚安酯应优选具有在200p.s.i至10000p.s.i(对应于大约1.4N/mm2至69.0N/mm2)范围内的弹性模数。

为了增强框架，在这两个专利文献中描述了不同的可能性。因此，由例如聚合材料、钢或铝构成的增强部件可以在构造框架时一同集成到该框架中。填充材料也可以一同引入到框架材料中。填充材料例如可以是如矿物硅灰石的盘状填充材料或者如玻璃纤维的针状/纤维状填充物。