Die Temperatur in den Laborräumen ist konstant. Immer 23 Grad, und das bei 50 Prozent Luftfeuchte. Nur unter diesen genormten Bedingungen lassen sich die Tests miteinander vergleichen. Hier in der Forschungs- und Entwicklungsabteilung der Sika Service AG in Widen bei Zürich werden ständig neue Kleber für die Photovoltaik entwickelt und getestet. Nicht nur bei Raumtemperatur, sondern auch unter extremen Bedingungen. Sika ist einer der Produzenten, die speziell abgestimmte Kleber für Industriekunden im Photovoltaikbereich herstellen. „Wir verkaufen unseren Kunden keine Produkte, sondern Lösungen“, sagt Leo Scheiwiller. Als Marktfeld-Ingenieur sorgt er dafür, dass die speziellen Wünsche der Anwender zu den Forschern und Entwicklern gelangen. Diese mischen dann nicht nur die Spezialkleber ab, sondern kümmern sich auch um die richtigen Maschinen, die den Klebstoff dann verarbeiten. Denn wie schnell und preiswert etwas verklebt wird und wie lange die Verbindung hält, hängt nicht nur vom Kleber ab. Die Verarbeitung des Klebstoffs ist genauso wichtig. Nur wenn alles stimmt, ist das Ergebnis auch befriedigend.
Geklebt wird im Solarbereich mittlerweile fast überall. „Seit einiger Zeit bemerken wir eine wachsende Nachfrage aus der Solartechnik nach unseren Klebstofflösungen“, berichtet Claudia Berck, Firmenchefin des Handelshauses Karger Industrieprodukte GmbH in Dietzenbach. Ob kristalline Zellen in Rahmen, Backrail-Verklebungen an Dünnschichtmodulen, Leiterbahnen auf der Vorderseite und Anschlussdosen an der Rückseite der Module: Mehr und mehr löst das Kleben klassische Verbindungstechniken wie Verschrauben, Klemmen oder Löten ab. „Da werden elektrische Leitungen zum Beispiel eingegossen und Sensoren festgeklebt“, sagt Artur Waldmann, Technischer Leiter bei Karger. Geklebt werden mittlerweile selbst die Befestigungen für Photovoltaikanlagen auf Caravans und Wohnmobilen. Klebetechnologien setzen sich immer da durch, wo sie die Konstruktion vereinfachen, die Produktion beschleunigen und die Materialien schonen.
Besondere Anforderungen
Die Photovoltaikbranche hat nicht bei null angefangen. Sie konnte auf die Erfahrungen aus anderen Bereichen zurückgreifen. Bei Fassaden etwa wird schon lange Glas mit Metall verklebt, Elektronikhersteller kleben Bauelemente auf Leiterplatten und auch die Luft- und Raumfahrtindustrie sowie die Autobauer setzen immer mehr Klebstoff ein. „Die Klebetechnologien in der Photovoltaik werden mit ganz besonderen Anforderungen konfrontiert“, sagt Waldmann. „So sind die Anlagen in der Regel über die Jahre extremen Witterungsbedingungen ausgesetzt wie starken Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit und ultraviolettem Licht.“ All dem müssen die Kleber widerstehen und dabei oft auch noch die Materialien schützen, die sie verbinden, beispielsweise Metalle vor Korrosion. Je nach den Materialeigenschaften der Teile, die sie verbinden müssen, sind die Eigenschaften der Kleber unterschiedlich. So sind etwa flexible Kleber als Verbindung notwendig, wenn sich verschiedene Materialien unterschiedlich stark ausdehnen, wie bei Moduloberflächen aus Glas und dem sie umgebenden Rahmen.
„Gerade bei Photovoltaikanlagen wird viel Aluminium verwendet. Das hat einen sehr hohen Ausdehnungskoeffizienten von 27“, erklärt Waldmann. Der lineare Ausdehnungskoeffizient gibt an, um welche Längendifferenz im Verhältnis zur Gesamtlänge sich ein Material bei einer bestimmten Temperaturänderung ausdehnt. „Wenn die Temperaturen nachts am Gefrierpunkt sind, dann zieht sich das Aluminium stark zusammen, tagsüber unter Sonneneinstrahlung dehnt es sich extrem aus.“ Glas besitzt dagegen lediglich einen Ausdehnungskoeffizienten von 3,2. Das muss ein elastischer Kleber abfedern. Je nach Herstellung können Kleber sehr weich und elastisch, aber auch hart und spröde sein. Wie genau der Klebstoff beschaffen sein soll, bestimmen bei Sika die Kunden, und zwar jedes Mal aufs Neue. Es sind ausschließlich industrielle Abnehmer, in deren Auftrag die Sika-Mitarbeiter die Spezialkleber komponieren und testen.
Tests unter Extrembedingungen
Bis zu zwei Jahren kann so ein Entwicklungsprozess dauern. Die genauen Rezepte der Klebemischungen werden so geheim gehalten wie die Gewürzmischungen in der Lebensmittelindustrie. Was in den Laboren zu sehen ist, sind lediglich die Klebeproben, bei den Silikonen beispielsweise Wülste auf verschiedenen Materialienproben. Die kleinen, meist schwarzen Streifen sehen aus wie Raupen, die es sich auf Glasscheiben bequem gemacht haben. Ingenieur Felix Fischer nimmt eine scharfe Klinge und schneidet eine dieser Raupen auf, längs und direkt an der Glasscheibe, auf der sie klebt. Langsam geht der Schnitt durch die Klebefläche. Fischer schaut sich den Schnitt genau an. Klebt ein winziger Rest Kleber an der Scheibe? Oder hat er die gummiartige Raupe mit dem Schnitt direkt am Glas abgetrennt, ohne Klebstoffrückstand? Daran kann er sehen, wie stark die Adhäsionskräfte des Klebers sind, also die Haftungskräfte zwischen den verschiedenen Materialien, in diesem Fall zwischen Glas und Kleber, sowie die Haftungskräfte innerhalb des Klebers. So überprüfen die Experten wiederum, wie gut die zu klebenden Materialien vorbehandelt sind und ob der Kleber zu dem Material passt. Oft sind auch bestimmte Sollbruchstellen erwünscht, der Kleber soll eher in sich reißen, als dass beispielsweise das geklebte Glas zerbricht. Es sind aber noch einige weitere Tests notwendig, bis einem Kleber bescheinigt werden kann, dass er die Teile von Photovoltaikanlagen bei Sonne, Wind und Wetter mehr als 25 Jahre zusammenhält. Vor allem die ultraviolette Strahlung ist kritisch. Wie Brutkästen sehen die UV-Testgeräte in den Laborräumen aus, allerdings lichtundurchlässig, um die Augen der Mitarbeiter zu schützen. Hier werden die Raupen dauerbestrahlt, drei bis sechs Wochen, mal im Trockenen, dann in heißem Wasser. Eine Tortur. Danach schauen die Tester, ob die Kleber brüchig geworden sind. An einem anderen Teststand sind die schwarzen Raupen auf weißen Kunststoff geklebt. Wochenlang kontrollieren die Forscher, ob sich der weiße Kunststoff langsam verfärbt. Wenn sich das Material nach einiger Zeit verdunkelt, deutet das auf Weichmacher, die von dem Silikon auf den Kunststoff übergegangen sind und ihn ebenfalls erweichen können. Dann ist der Kleber für dieses Material ungeeignet.
Topfzeit oder Hautbildung
Neben der Beständigkeit sind auch die Verarbeitungseigenschaften ganz entscheidend dafür, welcher Kleber sich für welche Anwendung eignet. „Wir können kein Produkt nehmen, das in fünf Minuten ausgehärtet ist, aber der Produktionsprozess hat eine Taktzeit von vier Minuten. Das funktioniert nicht“, erläutert Scheiwiller. Andererseits darf beispielsweise ein Kleber, mit dem eine Anschlussdose ausgegossen wird, nicht hart werden, bevor sich die Masse gleichmäßig verteilt hat. Wie viel Zeit ein Kleber hat, bis er nicht mehr verarbeitet werden kann, auch das lässt sich genau messen. Bei Zweikomponentenklebern nennen es die Experten die Topfzeit, bis der Kleber aus dem Fluss erstarrt. Beim Einkomponentenkleber ist es die Zeit bis zur Hautbildung. Einkomponentenkleber werden hauptsächlich draußen bei der Montage angewendet, weil ein Zweikomponenten-System auf einer Baustelle schwer zu handhaben ist. Die Zweikomponentenkleber sind dem Innenbereich vorbehalten. „Die Zweikomponentenkleber werden hauptsächlich in der Produktion angewendet“, erläutert Scheiwiller. „Wenn Sie also bei der Produktion als letzten Schritt vor der Verpackung kleben, zum Beispiel bei Backrailverklebungen, dann setzen Sie Zweikomponentenkleber ein.“
Backrailverklebungen im Dünnschichtbereich sind ein wichtiger Forschungsschwerpunkt bei Sika. Der Trend bei der Dünnschichtproduktion geht zu immer größeren Produktionsstätten. Da stellt sich die Frage nach effizienten Befestigungssystemen. Im kristallinen Bereich setzen die Konstrukteure vor allem auf gerahmte Systeme. Wegen der immer größeren Module ist das im Dünnschichtbereich jedoch wirtschaftlich nicht mehr sinnvoll. Deshalb arbeiten verschiedene Hersteller und Kleberproduzenten an rahmenlosen Lösungen. Um die Montagezeiten auf den Baustellen zu verringern und die Anlagen damit kostengünstiger zu machen, muss der Aufbau vereinfacht werden. Das gelingt am besten, wenn die Dünnschichtmodule am Ort der Installation nur noch in die Unterkonstruktion eingehängt oder eingeklickt werden müssen. Dazu brauchen sie auf ihren Rückseiten Halterungen. Diese werden am besten angeklebt, und das kann in der automatisierten Produktion unter optimalen Bedingungen gewährleistet werden, bei konstanter Raumtemperatur und Luftfeuchte sowie exakter Verarbeitung des Klebers durch Automaten.
Kleben im Sekundentakt
Dazu müssen allerdings ständig neue Kleber entwickelt werden, die auf den immer effizienteren und schnelleren Produktionsprozess abgestimmt sind. Scheiwiller wird konkreter: „Wir reden jetzt schon über Taktzeiten von 30 Sekunden pro Modul. Das heißt, der Klebstoff muss da nachkommen.“ Dafür kommen nur Zweikomponentenkleber in Frage. Bei der Abmischung des entsprechenden Klebstoffs müssen die Entwickler einerseits die Frühfestigkeit des Klebers beachten, die Zeit also, bis der Kleber leicht belastbar ist. Andererseits ist der Zeitraum bis zur endgültigen Aushärtung von Bedeutung. Wenn das frisch geklebte Modul erwärmt wird, verfestigt sich der Kleber früher.
„Mit einer geschickten Wahl der Verpackung kann die Vulkanisierung des Klebstoffs bei einer belastungsarmen Lagerung auch verpackt erfolgen, was wiederum zu Einsparungen bei nachgeordneten Prozessen führt“, erläutert Leo Scheiwiller. In Abstimmung mit dem Kunden den richtigen Kleber zu entwickeln, das ist eine Aufgabe. Die Anwender wissen jedoch oft nicht viel über Klebetechnologien. „Die haben sehr viele Erfahrungen, was die Zellen anbelangt, was das Modul selbst anbelangt und wie man die Effizienz steigern kann“, erzählt Scheiwiller. „Aber die Klebetechnik ist oft nur ein kleiner Teil der Gesamtproduktion. Und wird dadurch erst mal nicht so sehr beachtet. Wir sehen oft, dass die Fachleute gar nicht wissen, wie viel sie in diesem Bereich noch rausholen können.“ Oft hätten die Anwender die Klebetechniken zwar eingeführt, aber sie würden die Prozesse nicht mehr verfeinern und dadurch viel verschenken. „Eine gewisse Schulung des Kunden muss man sicher durchführen.“ Zur Qualitätskontrolle ebenso wie für die Prozessoptimierung bei der automatisierten Produktion. Dafür gibt es bei Sika eine spezielle Abteilung, Applikationstechniker Andreas Hufschmid leitet sie. Er führt durch den Maschinen- und Automatenpark. „Sika ist zwar selbst kein Ausrüster für die Klebeprozesse, aber wir arbeiten mit den namhaftesten Maschinenbauern zusammen.“
Die Klebeexperten bei Sika, Kager und anderen Herstellern und Händlern sowie auch die industriellen Anwender glauben, dass Klebetechnologien weiter an Bedeutung gewinnen - vor allem mit dem Vormarsch der Dünnschichtmodule, ob aus Glas oder flexiblen Kunststoffen. Damit wird auch das Wissen rund ums Kleben für Photovoltaikexperten immer wichtiger.
