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GIPV-Folie PV-Folie als Halbzeug zur Integration in Standardindustrieprozesse der GIPV

Projektziel war ein Photovoltaikhalbzeug in Folienform, welches kostengünstig in bereits bestehende Produktionsprozesse der GIPV-Industrie integriert und verarbeitet werden kann. Dies würde zu einer enormen Kosteneinsparung und technologischen Weiterentwicklung der GIPV-Technologie führen.

Ausgangssituation

Die Gebäudeintegration von Photovoltaik (GIPV) bietet die einzigartige Chance, eine umweltfreundliche und dezentrale Energieversorgung mit einer architektonisch wertvollen Umsetzung zu verbinden. Fassaden- und Dachflächen stehen kostenlos zur Verfügung und eignen sich bestens, neben den eigentlichen Aufgaben einer Gebäudehülle, wie z.B. Witterungs- und Sichtschutz, auch die Funktion Stromerzeugung zu übernehmen. Allerdings gibt es bis dato keine kostengünstigen GIPV-Module, die den Anforderungen der Gebäudeintegration hinsichtlich Ästhetik und Flexibilität entsprechen.

Die heute am Markt angebotenen PV-Module stammen entweder aus unflexibler Massenfertigung und können somit die Anforderungen der modernen Architektur nur in den seltensten Fällen erfüllen oder sie stammen aus kundenspezifischer Einzelstück- und Kleinserienfertigung. Damit können die architektonischen Anforderungen immerhin zum Teil erfüllt werden, allerdings mit hohen zusätzlichen Kosten.

Projektverlauf

Um das Projektziel zu erreichen wurde das Projekt in 5 einzelne operative Phasen oder auch Arbeitspakete unterteilt.

In einem ersten Schritt wurden die verschiedenen Produkte der Gebäudehülle, die sich für eine PV-Integration eignen, und deren Standardherstellungsprozesse eruiert.

Im zweiten Arbeitspaket wurden auf Grundlage der im ersten Arbeitspaket ermittelten Anforderungen Laminationsmaterialien ermittelt, evaluiert und auf Kompatibilität mit der crystalsol Technologie überprüft. Des Weiteren wurde die Anbindung des zukünftigen Halbzeuges an das Produkt (Verbundglas) definiert. Am Ende des Arbeitspaketes 2 konnte die Herstellung eines ersten flexiblen, dünnen Halbproduktes realisiert werden.

Im Zuge des Arbeitspaketes 3 wurden die wesentlichen und kritisch erscheinenden Verarbeitungsschritte verschiedener Herstellungsprozesse anhand erster Funktionsmuster der PV-Halbzeuge durchlaufen. Die Ergebnisse wurden evaluiert und waren eine wichtige Grundlage für weitere Entwicklungsarbeiten.

Für die Laminationsversuche hat crystalsol einen Labor-Vakuumlaminator anfertigen lassen, welcher die grundsätzlichen Prozesseigenschaften eines Vakuum-Laminiervorganges labormaßstäblich abbilden kann. Dies ermöglichte eine unkomplizierte, zeitnahe und ökonomische Abwicklung der Versuche. Die Kontaktierung erfolgte im ersten Ansatz mittels Silberleitkleber in Kombination mit Kupferbändern. Im weiteren Projektverlauf wurde der Silberleitkleber durch einen drucksensitiven leitfähigen Kleber ersetzt, welcher schon beschichtet auf einem Kupferband erhältlich war. Dies ermöglicht die einfache Kontaktierung der PV-Folie ohne den Einsatz punktueller Temperaturhärtung. Die Verarbeitbarkeit der Halbprodukte wurde zum einen auf Zellebene aber auch auf ca. 5 × 5 cm² Modulen getestet.

Im vierten Arbeitspaket wurden die Möglichkeiten der Transparenzgrade und die Flexibilität der Abmessungen des PV-Halbzeuges bestimmt. Hinsichtlich der Transparenzgrade wurde die Vergilbung des Vorderseitenstabilisierungspolymers untersucht. Im Zuge des Projektes wurde das transparente jedoch vergilbende Epoxidharz durch ein vergilbungsresistenteres UV-Polymer ersetzt. Des Weiteren wurden erste Versuche mit transparenten Rückkontakten durchgeführt, welche eine Grundvoraussetzung für halbtransparente Module sind. Diese müssen noch wesentlich optimiert werden, bevor über die Variation der Füllfaktoren von Monokörnern verschieden transluzente Module hergestellt werden können.

Das Arbeitspaket 5 diente vor allem der Untersuchung der Materialwechselwirkungen und Alterungsprozesse im PV-Halbzeug. Untersuchungen hinsichtlich der Langzeitstabilität wurden in einem Klimaschrank durchgeführt. Die Wasserdampfdurchlässigkeit des Laminats wurde im Damp-Heat-Test (85°C/85% rel. Feuchtigkeit) verfolgt und mit dem Verhalten im Dry-Heat-Test (85°C/trocken) verglichen. Somit war es möglich, eine von etwaigen Halbleiterinstabilitäten unabhängige Beurteilung der Verkapselungsdichtheit zu realisieren.

Ergebnisse

Im Zuge des Projektes konnte ein Halbzeug entwickelt werden, welches sich mittels Laminierprozess in einen Glasverbund integrieren lässt. Hierfür wurde ein Vakuumlaminierprozess bei crystalsol nachgebildet. Auf Basis der durchgeführten Recherchen wurden Laminationsversuche durchgeführt.

Eine der Herausforderungen bestand in der Definition des Halbzeug-Aufbaus. Als Ergebnis kann ein im Rolle-zu-Rolle fertigbares flexibles PV-Halbprodukt vorgezeigt werden, welches die für alle nachfolgenden Kontaktier- und Verkapselungsprozesse erforderliche mechanische Stabilität aufweist und sich insbesondere in einem Laminierprozess weiter verarbeiten lässt.

Die in Arbeitspaket 3 durchgeführten Versuche zur Weiterverarbeitbarkeit des PV-Halbzeugs wurden in crystalsol’s Vakuumlaminator durchgeführt. Der Einfluss des Laminierens auf die Zelleffizienz ist bei ausreichend guter Halbleiterqualität und entsprechend optimierten Laminationsparametern sehr gering.

Des Weiteren konnte eine große Flexibilität hinsichtlich der Abmessungen des PV-Halbzeugs nachgewiesen werden. Bei größerer Breite erhöht sich die Spannung aufgrund der ansteigenden Anzahl von in Serie geschalteten Zellen. Die Länge hingegen hat Einfluss auf den erzeugten Strom. Die Breite der monolithisch verschalteten Zellen bestimmt den Serienwiderstand des Frontkontaktes und liegt zwischen 6 – 12 mm.

Ein Vorteil des PV-Halbzeugs ist, dass es unabhängig vom Verkapselungsprozess gefertigt werden kann. Um eine Lagerung in aufgerolltem Zustand zu ermöglichen, ist es notwendig, dass es gegen Biegung weitestgehend unempfindlich ist. Die Biegsamkeit flexibler Funktionsmuster wurde mit 500 Biegungen mit einem Radius von 100 mm getestet und keine nennenswerte Verschlechterung der Effizienz festgestellt. Auch kleinere Radien sind durchaus möglich.

Bezüglich der Transparenzgrade des PV-Halbzeugs liegt die hauptsächliche Limitierung noch in der Leitfähigkeit der transparenten oder halbtransparenten Rückkontakte.

Zur Entwicklung des Halbproduktes wurden im Zuge des Projektes verschiedene transparente Polymere auf Ihre Eignung als Frontseitenstabilisierungsmaterial untersucht. Es zeigte sich, dass nicht jedes Polymer geeignet ist. Mit zum Beispiel Silikonen oder auch Polyurethanen konnte kein zufriedenstellendes Ergebnis erreicht werden. Durch experimentelle Versuche und Untersuchungen (z.B. der Beeinflussung der Frontkontaktleitfähigkeit durch das Frontseitenstabilisierungspolymer) ist es im Zuge des Projektes gelungen, nicht nur ein geeignetes Material zu finden, sondern auch den Aufbau und die Verarbeitung des Halbzeuges so zu gestalten, dass dieses mit einem vergleichsweise einfachen Prozess hergestellt werden kann.

Zusätzlich konnte mittels Recherchen und Zusammenarbeit mit Zulieferfirmen von Verkapselungsmaterialien ein Vakuumlaminationsprozess bei crystalsol aufgesetzt werden, der zu zufriedenstellenden Ergebnissen hinsichtlich der Dichtheit von Glas-Glas-Modulen geführt hat. Im Zuge der Versuche wurde festgestellt, dass die Gleichmäßigkeit der Verpressung bezüglich Glasbruch entscheidend ist. Die Stabilität gegenüber während des Laminationsprozesses auftretender Scherkräfte wurde ebenfalls untersucht. Hierbei stellte sich heraus, dass Laminationsparameter und Aufbau des Halbproduktes einen entscheidenden Einfluss auf das erzielbare Ergebnis haben.

Die gewonnenen Erkenntnisse sind essentiell für die Weiterentwicklung der Technologie. Mit den Erfahrungen sollte ein relativ unproblematisches Hochskalieren der im Zuge des Projektes nur kleinmaßstäblich durchführbaren Versuche möglich sein.