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Die Erfindung betrifft ein Photovoltaikmodul sowie ein Verfahren zu dessen Herstellung.
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Photovoltaikmodule, wie sie zur Erzeugung elektrischer Energie aus Sonnenlicht weite Verbreitung gefunden haben, weisen in ihrem klassischen Aufbau eine Frontabdeckung aus Glas auf, die für die nachfolgenden photovoltaisch wirksamen Schichten einen Schutz gegen mechanische Belastungen und gegen Umwelteinflüsse wie Regen, Wind und chemische Stoffe bietet. Nachfolgend werden Anordnungen und Abfolgen photovoltaisch wirksamer Schichten, unter denen vereinfachend auch erforderliche Frontelektroden und Rückelektroden subsummiert werden, als Folge photovoltaischer Schichten bezeichnet, ohne deren konkreten Aufbau zu analysieren. Eine Folge photovoltaischer Schichten kann auch mehrere Solarzellen umfassen.
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In einem klassischen Aufbau eines Photovoltaikmoduls wurde dieses durch eine Rückseitenabdeckung abgeschlossen, die ebenfalls aus Glas gefertigt war. Zwischen der Frontabdeckung und der Rückseitenabdeckung befindet sich die Folge photovoltaischer Schichten.
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Ein solcher Aufbau weist ein sehr hohes Gewicht auf und lässt nachträgliche Veränderungen und Nachrüstungen von technischen Komponenten an den Photovoltaikmodulen kaum oder gar nicht zu. Zudem sind die Kanten der Frontabdeckung, der Rückseitenabdeckung sowie der Folge photovoltaischer Schichten ungeschützt und können leicht beschädigt werden.
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Möglich ist auch, dass die Rückseitenabdeckung aus einem Kunststoff besteht. Insbesondere die Kanten der Frontabdeckung können durch einen Rahmen aus einem Metall wie Aluminium geschützt sein, wie dies in der beispielhaft ausgewählten
DE 10 2012 102 214 B3 beschrieben ist. Die einzelnen Photovoltaikmodule sind jeweils durch einen Rahmen aus Aluminium umgeben, durch den das Photovoltaikmodul seine Stabilität erhält und zugleich ein Schutz der Kanten sowie eine Abdichtung gegen die Umgebung erreicht ist.
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Nachteilig an solchen Rahmen ist der zusätzliche technologische Aufwand zur Fertigung, Montage und Dichtung der Rahmen sowie der zusätzliche Materialbedarf und das Gewicht eines Rahmens aus Metall. Außerdem weisen Metalle hohe thermische Ausdehnungskoeffizienten auf, sodass bei starken Temperaturschwankungen und bei häufigen Temperaturwechselbelastungen ein hoher mechanischer Stress auf das Photovoltaikmodul, insbesondere auf seine Kanten einwirkt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein verbessertes Photovoltaikmodul vorzuschlagen, bei dem ein verringertes Gewicht und ein verbesserter Schutz der Kanten des Photovoltaikmodul miteinander verbunden sind.
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Die Aufgabe wird gelöst durch ein Photovoltaikmodul mit einer Frontabdeckung, wobei eine Seitenfläche der Frontabdeckung von dem Photovoltaikmodul nach außen gewandt ist und die Frontabdeckung mindestens eine Stirnfläche aufweist, einer Folge photovoltaischer Schichten auf einer nach innen gewandten Seitenfläche der Frontabdeckung und einer Rückseitenabdeckung auf der Folge photovoltaischer Schichten zur rückseitigen Abdeckung des Photovoltaikmoduls. Ein erfindungsgemäßes Photovoltaikmodul ist dadurch gekennzeichnet, dass die Rückseitenabdeckung aus mindestens einem Kunststoffmaterial besteht und die Rückseitenabdeckung einen erhöhten Randbereich aufweist, der sich seitlich über die Folge photovoltaischer Schichten und über die mindestens eine Stirnfläche erstreckt und an der mindestens einen Stirnfläche anliegt, sodass eine Rückseite sowie die Seiten der Folge photovoltaischer Schichten und die mindestens eine Stirnfläche der Frontabdeckung von der Rückseitenabdeckung bedeckt sind.
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Kern der Erfindung ist, dass die Folge photovoltaischer Schichten seitlich von dem Randbereich der Rückseitenabdeckung überdeckt und dadurch gegen nachteilige Einwirkungen wie Umwelteinflüsse und mechanische Belastungen geschützt ist. Außerdem besteht die Rückseitenabdeckung aus einem Kunststoffmaterial und erlaubt daher eine Reduzierung des Gewichts des Photovoltaikmoduls, ohne dass Nachteile hinsichtlich der Haltbarkeit und Stabilität in Kauf genommen werden müssen.
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Ein Kunststoffmaterial kann ein Thermoplast, ein Duroplast oder ein Materialverbund, beispielsweise eine Schichtenfolge verschiedener Materialien, vorzugsweise verschiedener Kunststoffe, sein. In einem Materialverbund können beispielsweise Fasern zur Erhöhung der Reißfestigkeit vorhanden sein.
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Eine Frontabdeckung ist üblicherweise als eine Platte, beispielsweise eine Platte aus Glas oder Polycarbonat, ausgebildet. Eine beispielsweise rechteckige Frontabdeckung, z. B. eine Glasplatte, weist zwei Seitenflächen und vier Stirnseiten auf. Eine kreisförmig oder oval gestaltete Frontabdeckung weist zwar ebenfalls zwei Seitenflächen auf, besitzt aber nur eine umlaufende Stirnfläche.
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In einer weiterführenden Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls ist zwischen der Rückseitenabdeckung und der mindestens einen Stirnfläche eine Haftvermittlerschicht zur Vermittlung einer Adhäsionskraft zwischen dem Material der Rückseitenabdeckung und dem Material der Frontabdeckung vorhanden.
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Die Haftvermittlerschicht kann als eine separate Schicht eingelegt sein. Sie kann auch an der Rückseitenabdeckung und / oder an der Frontabdeckung vorhanden sein.
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Es ist in einer weiteren Ausführung des erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls möglich, dass zwischen der Rückseitenabdeckung und der Folge photovoltaischer Schichten eine Folie angeordnet ist, durch deren Material, beispielsweise Polyvinylbutyral (PVB) oder Ethylvinylacetat (EVA), ein Abschluss und eine Abdichtung der Folge photovoltaischer Schichten gegenüber der Umgebung und der Rückseitenabdeckung erreicht wird. Die Folie kann zudem als Haftvermittlerschicht ausgebildet sein.
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Eine solche Folie kann auch entlang der Randbereiche geführt sein. Die Folie kann zudem um die Stirnfläche gefaltet sein. Die Folie kann ebenfalls als eine Haftvermittlerschicht dienen oder zusätzlich zu einer solchen vorhanden sein. Durch die Folie kann auch eine gute Haftung zwischen der Folge photovoltaischer Schichten und der Rückseitenabdeckung vermittelt sein.
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In weiteren Ausführungen des erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls kann die Folie und / oder der Randbereich bis auf die nach außen weisende Seitenfläche der Frontabdeckung reichen. Die nach außen weisende Seitenfläche der Frontabdeckung kann dann beispielsweise an ihren Rändern durch die Folie und / oder den Randbereich umlaufend umrahmt oder unterbrochen bedeckt sein.
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Eine Haftvermittlerschicht kann beispielsweise ein durch Wärmeeinwirkung und / oder durch Druck vernetzbares Polymer, ein Klebstoff oder eine Kombination des Polymers und des Klebstoffs sein.
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Ein Klebstoff ist z. B. ein Leim oder Silikon. Ein vernetzbares Polymer ist beispielsweise PVB oder EVA.
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Eine Vernetzung und / oder eine Formgebung der Haftvermittlerschicht kann beispielsweise durch Wärmezufuhr und / oder Druckaufbringung durch Laminierungsverfahren, unter Nutzung eines Autoklaven oder durch Vakuumlaminierung erfolgen.
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Es ist in weiteren Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls möglich, dass die Abdichtung durch das die Stirnflächen überdeckende Material der Rückseitenabdeckung unterstützt ist.
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Eine besonders gute Abdichtung wird erreicht, wenn das die Stirnflächen überdeckende Material der Rückseitenabdeckung wenigstens bereichsweise durch das durch Wärmeeinwirkung und / oder durch Druck vernetzbare Polymer oder durch ein Elastomer gebildet ist. Ein geeignetes Elastomer ist beispielweise Naturkautschuk oder Silikonkautschuk. Bei Verwendung eines Elastomers ist eine Abdichtung vorteilhaft durch ein weitgehend spaltfreies Anliegen des Elastomers an der Stirnfläche unterstützt. Durch eine Vernetzung des vernetzbaren Polymers ist ebenfalls eine sehr gute Abdichtung erreicht. Beide Möglichkeiten verbinden günstigerweise ein hohes Dichtvermögen mit einer gegenüber metallischen Werkstoffen geringen thermischen Ausdehnung. Letzteres erlaubt vorteilhaft eine Abdichtung auch bei stark schwankenden Temperaturen und reduziert eine mechanische Lockerung aufgrund häufig auftretender Temperaturwechsel.
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Es ist auch möglich, dass das die Stirnflächen überdeckende Material der Rückseitenabdeckung, der Randbereich, wenigstens bereichsweise durch einen Klebstoff gebildet ist.
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Die Rückseitenabdeckung soll vorzugsweise trotz eines verringerten Gewichts eine hohe Stabilität, beispielsweise eine hohe Biege- und Verwindungssteifigkeit, aufweisen. In einer vorteilhaften Ausführung enthält daher die Rückseitenabdeckung des erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls ein faserverstärktes Material. Beispielsweise kann das Material anorganische Fasern, wie Glasfasern, Kieselsäurefasern oder Keramikfasern, organische Fasern, wie Kohlefaser, Aramidfasern oder Nylonfasern, oder natürliche Fasern, wie Hanffasern, Flachsfasern oder Sisalfasern, enthalten.
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Alternativ dazu oder zusätzlich kann die Rückseitenabdeckung eine wabenförmige Strukturierung aufweisen, wodurch eine hohe Biege- und Verwindungssteifigkeit erreicht ist.
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An der Rückseitenabdeckung können Befestigungselemente zur Befestigung des Photovoltaikmoduls an einem Träger vorhanden sein. Diese Befestigungselemente können dabei entweder in die Rückseitenabdeckung integriert, beispielsweise in diese eingegossen oder an diese angeformt, beispielweise mittels eines Spritzgussverfahrens angeformt sein oder an der Rückseitenabdeckung befestigt, beispielsweise angeschraubt, angeklebt oder angeschweißt sein.
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Befestigungselemente können Montageschienen sein, die entweder über die gesamte Länge und / oder Breite der Rückseitenabdeckung reichen oder unterbrochen sind und nur abschnittsweise über die Länge und / oder Breite der Rückseitenabdeckung vorhanden sind. Befestigungselemente können auch Adapter für sogenannte Klickverschlüsse, Bögen, Schellen, Vorsprünge, Aufnahmen oder sonstige technische Elemente zur Befestigung eines Photovoltaikmoduls an einer Trägerkonstruktion sein. Es können ferner Löcher, Aussparungen und / oder Schlitze vorhanden sein, um Schraubverbindungen und / oder Klemmverbindungen zu ermöglichen.
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An der Rückseitenabdeckung kann außerdem wenigstens eine elektrische Verteilerdose zum Anschluss elektrischer Verbindungen an das Photovoltaikmodul vorhanden sein. Eine solche Verteilerdose (Anschlussdose, junction box) kann dabei entweder in die Rückseitenabdeckung integriert sein oder auf diese aufgebracht sein. Es ist ferner möglich, dass in der Rückseitenabdeckung Bus-Bars (Leitungsstränge für Bus-Systeme) vorhanden, vorzugsweise in diese integriert sind. Diese Bus-Bars sind dabei in der Verteilerdose elektrisch kontaktierbar, sodass das Photovoltaikmodul beispielweise mit weiteren Photovoltaikmodulen und / oder mit anderen elektrischen Leitungssystemen verschaltet werden kann. Über die Verteilerdose sind der Frontkontakt und / oder der Rückkontakt elektrisch kontaktiert. Die Bus-Bars können beispielsweise H-förmig in der Rückseitenabdeckung integriert sein. Dabei können die äußeren Bus-Bars der elektrischen Verbindung von weiteren Photovoltaikmodulen und / oder mit anderen elektrischen Leitungssystemen dienen, während die kurzen Bus-Bars, durch die gedanklich der Querstrich des Buchstabens H gebildet ist, in der Verteilerdose kontaktierbar sind.
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Es ist durch die Gestaltung des erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls vorteilhaft möglich, dass auch an dem bereits fertigen Photovoltaikmodul noch technische Veränderungen vorgenommen werden können, beispielsweise Befestigungselemente angebracht oder elektrotechnische Verschaltungen nachgerüstet werden können.
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Die Aufgabe wird ferner durch ein Verfahren zur Herstellung eines Photovoltaikmoduls gelöst. Ein erfindungsgemäßes Photovoltaikmodul kann dabei durch ein Verfahren hergestellt werden, das die folgenden Schritte aufweist:
- – Bereitstellen einer Frontabdeckung, aufweisend wenigstens zwei Seitenflächen und mindestens eine Stirnfläche,
- – Aufbringen einer Folge von photovoltaischen Schichten auf einer Seitenfläche der Frontabdeckung,
- – Aufbringen einer Rückseitenabdeckung, aufweisend einen erhöhten Randbereich auf der Folge von photovoltaischen Schichten, wobei die mindestens eine Stirnfläche durch den erhöhten Randbereich überdeckt wird und
- – stoffschlüssiges Verbinden des erhöhten Randbereichs mit der mindestens einen Stirnfläche durch eine Wärmebehandlung und / oder eine Druckbehandlung.
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Das Aufbringen der Folge von photovoltaischen Schichten erfolgt mit Verfahren, wie diese dem Fachmann bekannt sind.
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Optional kann zwischen der Rückseitenabdeckung und der mindestens einen Stirnfläche eine Haftvermittlerschicht zur Vermittlung einer Adhäsionskraft aufgebracht werden.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Abbildungen und Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls in Explosionsdarstellung und Teilschnitt sowie
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls.
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Als wesentliche Elemente eines erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls sind in 1 eine Frontabdeckung 1, eine Folge photovoltaischer Schichten 2 und eine Rückseitenabdeckung 3 gezeigt.
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Die aus einer rechteckigen Glasplatte bestehende Frontabdeckung 1 weist zwei Seitenflächen 1.1 und vier Stirnflächen 1.2 (nur eine bezeichnet) auf. Auf der nach oben weisend gezeigten, hinteren Seitenfläche 1.1 ist eine Folge photovoltaischer Schichten 2 aufgebracht (schematisch gezeigt). Darüber ist eine Folie 4 aus PVB angeordnet, die so groß ist, dass diese die Folge photovoltaischer Schichten 2 vollständig abdeckt und bis über alle Stirnflächen 1.2 der Frontabdeckung 1 reicht.
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Die Rückseitenabdeckung 3 besteht aus einem glasfaserverstärkten Kunststoff und weist einen umlaufenden erhöhten Randbereich 3.1 (kurz: Randbereich 3.1) auf. Der Randbereich 3.1 ist so dimensioniert, dass dieser bei einem fertig hergestellten Photovoltaikmodul bis zur vorderen Seitenfläche 1.1 der Frontabdeckung 1 reicht und durch den Randbereich 3.1 die Folge photovoltaischer Schichten 2 seitlich und die Stirnflächen 1.2 der Frontabdeckung 1 vollständig überdeckt werden. Durch die Folie 4, die durch eine kombinierte Wärme- und Druckbehandlung des Photovoltaikmoduls in einem Autoklaven erweicht wurde und flüssigkeitsdicht an dem Randbereich 3.1 und seitlich an der Folge photovoltaischer Schichten 2 sowie an den Stirnflächen 1.2 anliegt, ist eine Abdichtung des Photovoltaikmoduls seitlich und an seiner Rückseite erreicht. Ein mechanischer Schutz, insbesondere der Kanten der Folge photovoltaischer Schichten 2 sowie der Frontabdeckung 1, ist durch die Rückseitenabdeckung 3 und den übergreifenden Randbereich 3.1 hergestellt. Vorn ist das Photovoltaikmodul durch die Frontabdeckung 1 abgedichtet und geschützt.
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Die Folge photovoltaischer Schichten 2 ist hier eine Solarzelle. Sie kann in weiteren Ausführungen des erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls auch ein Photosensor, beispielsweise eine Photodiode, sein.
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Auf der nach außen weisenden Oberfläche der Rückseitenabdeckung 3 ist eine Verteilerdose 6 zum elektrischen Anschluss des Photovoltaikmoduls an eine elektrische Leitung (nicht gezeigt) vorhanden.
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Die Rückseitenabdeckung 3 weist eine wabenförmige Strukturierung 7 auf, durch die eine hohe Biege- und Verwindungssteifigkeit der Rückseitenabdeckung 3 und infolgedessen des Photovoltaikmoduls gegeben ist.
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In weiteren Ausführungen des erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls können die Folie 4 und / oder der Randbereich 3.1 bis auf die nach außen weisende Seitenfläche 1.1 der Frontabdeckung 1 reichen.
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Die Folie 4 und / oder der Randbereich 3.1 können in weiteren Ausführungen des erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls auch bis auf die vordere, nach unten weisend gezeigte Seitenfläche 1.1 reichend ausgebildet sein.
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In einem in 2 gezeigten zweiten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls ist die Rückseitenabdeckung 3 auf die Frontabdeckung 1 und die Folge photovoltaischer Schichten 2 aufgesetzt gezeigt. Der Randbereich 3.1 ist allseitig seitlich über die Folge photovoltaischer Schichten 2 und die Stirnflächen 1.2 (nicht bezeichnet, siehe 1) greifend angeordnet.
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Zwischen der Rückseitenabdeckung 3 und der Folge photovoltaischer Schichten 2 sowie zwischen dem Randbereich 3.1, der Folge photovoltaischer Schichten 2 und den Stirnflächen 1.2 ist eine Schicht Silikonkleber als eine Haftvermittlerschicht 8 vorhanden. Durch die Haftvermittlerschicht 8 ist eine Adhäsionskraft zwischen den Materialien der Rückseitenabdeckung 3 einerseits und den Materialien der Folge photovoltaischer Schichten 2 sowie dem Material der Frontabdeckung 1 andererseits vermittelt. Außerdem ist durch die Haftvermittlerschicht 8 eine Abdichtung des Photovoltaikmoduls erreicht.
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In weiteren Ausführungen des erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls ist die Haftvermittlerschicht 8 in den Randbereich 3.1 und / oder in die Rückseitenabdeckung 3 integriert.
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Auf der Rückseitenabdeckung 3 ist eine Verteilerdose 6 vorhanden. Zusätzlich sind Befestigungselemente 5 in Form von zwei Montageschienen vorhanden, von denen sich eine über die gesamte Länge L der Rückseitenabdeckung 3 und damit des Photovoltaikmoduls erstreckt, während die andere sich nur über einen mittleren Abschnitt der Länge L erstreckt. Über die beiden Befestigungselemente 5 ist das Photovoltaikmodul an einer Trägerkonstruktion (nicht gezeigt) montierbar. Über die Verteilerdose 6 ist das Photovoltaikmodul mit weiteren Photovoltaikmodulen und mit einem elektrischen Leitungssystem zur Ableitung elektrischer Energie verbunden.
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In weiteren Ausführungsbeispielen können andere Anzahlen und Ausführungen von Befestigungselementen 5 vorhanden sein. Die Befestigungselemente 5 können sich zudem über andere Abschnitte der Länge L erstrecken und andere relative Lagen zu dieser aufweisen.
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Über die Verteilerdose 6 ist der Rückkontakt (nicht gezeigt) der Folge photovoltaischer Schichten 2 elektrisch kontaktiert. Die Verteilerdose 6 ist in die Rückseitenabdeckung 3 integriert und beinhaltet auch sogenannte „Bus-Bars“ zur Kontaktierung der Folge photovoltaischer Schichten 2.
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Das Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Photovoltaikmoduls soll anhand der 1 vereinfacht beschrieben werden. Zuerst wird die Frontabdeckung 1 bereitgestellt. Auf deren hintere, in 1 nach oben weisend gezeigte Seitenfläche 1.1 wird mittels bekannter Verfahren eine Folge photovoltaischer Schichten 2 aufgebracht. Über diese Folge photovoltaischer Schichten 2 wird die Folie 4 aufgelegt. Anschließend wird die Rückseitenabdeckung 3 so aufgesetzt, dass der Randbereich 3.1 seitlich die Folge photovoltaischer Schichten 2 sowie die Stirnflächen 1.2 der Frontabdeckung 1 überdeckt. Zwischen dem Randbereich 3.1 und der Folge photovoltaischer Schichten 2 sowie den Stirnflächen 1.2 kommen Ränder der Folie 4 zu liegen. Durch eine Behandlung unter Wärmezufuhr und Druck wird das Photovoltaikmodul, und somit auch die Folie 4, erwärmt und verklebt infolgedessen mit dem Randbereich 3.1, mit der Folge photovoltaischer Schichten 2 sowie mit den Stirnflächen 1.2.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Frontabdeckung
- 1.1
- Seitenfläche (der Frontabdeckung 1)
- 1.2
- Stirnfläche (der Frontabdeckung 1)
- 2
- Folge photovoltaischer Schichten
- 3
- Rückseitenabdeckung
- 3.1
- Randbereich
- 4
- Folie
- 5
- Befestigungselement
- 6
- Verteilerdose
- 7
- wabenförmige Strukturierung
- 8
- Haftvermittlerschicht
- L
- Länge (des Photovoltaikmoduls)
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012102214 B3 [0005]
