Ungenutzte Möglichkeiten der Ertragssteigerung aufzuspüren, war das Ziel eines Gemeinschaftsprojekts des Fraunhofer Centrums für Silizium Photovoltaik (CSP) und des Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) zusammen mit Industriepartnern. Dazu haben sie gängige Photovoltaikmodule intensiv untersucht.
Verschaltung verbessert
Dabei kam heraus, dass durch die Kombination vieler kleiner Verbesserungen bei Komponenten und im Herstellungsprozess eine Ertragssteigerung im Bereich von drei Prozent für Solarmodule erreichbar ist. Weiter drei Prozent an Leistungsdichte konnten durch die Einführung größerer und geteilter Solarzellen aus dem Modul herausgekitzelt werden. Dabei konnte vor allem eine optimierte Dimensionierung der Verschaltung für die Halbzellen und der Einsatz besserer Materialien die Leistungsfähigkeit der aus dem Konzept entwickelten Prototypen der Solarmodule weiter steigern. Gleichzeitig sanken die Kosten pro Watt Leistung durch verbesserte Materialabstimmungen und einen effizienteren Materialeinsatz.
Module bei Umstellung auf neue Zellen optimieren
Einer der Industriepartner ist Heckert Solar. Das Unternehmen mit Hauptsitz in Chemnitz hat das im Projekt entwickelte, angepasst Moduldesign für seine in diesem Jahr in Betrieb gegangene neue Fertigungsstätte im thüringischen Langenwetzendorf übernommen. „Das Projekt zeigt sehr deutlich, dass es sich bei Solarmodulen lohnt, die notwendige Umstellung auf große Solarzellformate direkt mit einer Moduloptimierung zu begleiten“, fasst Max Mittag, Projektleiter am Fraunhofer ISE, eine der zentralen Erkenntnisse zusammen. „Im komplexen Zusammenspiel von Optik, Elektrik und Wärmehaushalt des Photovoltaikmoduls summieren sich die Vorteile schnell auf und führen zu sich verstärkenden Effekten.“
Dünnerer Rahmen spart Material und Geld
Grundlage vieler Verbesserungen im Projekt waren Modellierungen. So hat Heckert Solar beispielsweise einen über Simulationen optimierten Rahmen übernommen. Dieser spart Aluminium, hat aber die gleiche mechanische Stabilität wie die Modulrahmen, die bisher zum Einsatz kommen. Das senkt nicht nur den ökologischen Fußabdruck der Module weiter, sondern auch die Kosten für die Hersteller.
Zellverbinder simuliert
Kosteneinsparungen waren aber auch innerhalb des Moduls möglich, unter anderem durch dünnere Zellverbinder. Auch das senkt die Materialkosten. In einem umfassenden Simulationsmodell ermittelte das Forschungsteam des Fraunhofer ISE dazu vorher die optimale Abwägung zwischen Leistung des Moduls und Stärke der Zellverbinder. Mit Hilfe einer virtuellen Lamination konnten die Wissenschaftler:innen außerdem kürzere Prozesszeiten bei gleicher Prozessqualität erreichen.
Stromflüssen präzise messen
Ein weiterer Industriepartner war Denkweit. Das Unternehmen aus Halle an der Saale hat sich auf die KI-basierte Bilderkennung spezialisiert. Im Rahmen des Projekts entwickelte Denkweit ein neues Messgerät, das basierend auf der Erfassung von Magnetfeldern Stromflüsse erfasst. Dadurch können Fehler in Lötstellen schneller und vor allem präziser erfasst werden.
Zwei Millionen Euro bei einem Gigawatt möglich
Das nagelneue Messsystem kann auch ungleichmäßig verteilte Strompfade innerhalb des Moduls untersuchen. „Mit immer besseren Modulsimulationen und Charakterisierungsmethoden können die Modulhersteller immer noch etwas aus ihren Modulen herauskitzeln. Eine einprozentige Steigerung bedeutet heute bei einer Fertigungskapazität von 100 Megawatt pro Jahr einen Mehrgewinn von 200.000 Euro für den Modulhersteller, bei einem Gigawatt sind es dann zwei Millionen Euro“, rechnet Holger Neuhaus, Abteilungsleiter für Modultechnologie am Fraunhofer ISE, vor. „Da lohnt es sich, genauer hinzuschauen. Neben neuen Technologienentwicklungen ist die Optimierung einer der wichtigsten Hebel für die Verbesserung der Erträge einer Fertigung“, betont Neuhaus. (su)
