Die Forscher des Fraunhofer ISE haben zusammen mit ihren Kollegen aus der Entwicklungsabteilung des Maschinenherstellers Teamtechnik eine Möglichkeit gefunden, die Zellverbinder in Solarmodulen aufzukleben. Nach Angaben der Kooperationspartner aus Freiburg und Freiberg am Neckar ist die Lösung ohne weiteres industriell einsetzbar. Dabei verringert sich der Durchsatz in der Modulproduktion nur geringfügig.
Bisher werden die einzelnen Zellen in den Solarmodulen mittels eines Weichlötverfahrens miteinander verschaltet. Dieses Verfahren hat sich bewährt und ist derzeitiger Industriestandard. Es geht schnell und ist – wenn es richtig ausgeführt wird – eine sichere Methode, Solarzellen miteinander zu verbinden. Doch das Lötverfahren hat einige Schwächen. Zum einen wird viel Energie benötigt. Zum anderen ist dessen Verwendung bei der Verschaltung von temperaturempfindlichen hocheffizienten Mehrfachsolarzellen nicht ohne Risiko.
Bleifreie Zellverbindung schaffen
Deshalb bietet sich hier das Kleben der Zellverbinder auf und unter die Solarzellen an. Denn dabei können die Prozesstemperaturen niedriger gehalten werden, was nicht nur Energie spart, sondern auch die empfindlichen aber extrem effizienten Heterojunction-Solarzellen schont. Werden die Zellen im Klebeverfahren miteinander verschaltet, liegen die Temperaturen in der Produktion bei unter 180 Grad Celsius. Beim konventionellen Löten werden Temperaturen von mehr als 200 Grad Celsius erreicht. Damit ist sichergestellt, dass beim Verkleben der Zellverbinder die Heteroschichten der Mehrfachsolarzellen nicht beschädigt werden.
Zudem wird weniger Material gebraucht. Ein weiterer Vorteil des Klebens: Das Lot, mit dem die Zellverbinder aufgebracht wurden, enthielt in der Regel immer noch Blei. Das fällt durch den Einsatz des von den Kooperationspartner entwickelten Klebeverfahrens weg.
In 2,3 Sekunden verschaltet
Zunächst wurde in jahrelanger Forschungsarbeit am Fraunhofer ISE überhaupt erst einmal auf Labormaßstab eine Möglichkeit entwickelt, Zellen mittels eines Klebeverfahrens miteinander zu verschalten. Im Rahmen der Kooperation mit Teamtechnik haben die Freiburger einen Stringer mit Klebeeinheit entwickelt, erprobt und erfolgreich in Betrieb genommen. Dabei liegt die Taktzeit zur Veschaltung der Solarzellen auf dem neuen Stringer bei weniger als 2,3 Sekunden und damit auf dem Niveau der Stringer, die die Solarzellen mittels Lötverfahren miteinander verschalten. Die Schnelligkeit des Stringers ist dabei von der Geschwindigkeit bestimmt, wie schnell das verwendete Klebematerial aushärtet.
Mit dem neuen Stringer haben die Entwickler in Freiburg und Freiberg am Neckar nachgewiesen, dass leitfähiges Kleben von Solarzellen mit drei, vier oder fünf Busbars als Voll- oder Halbzelle mit einem Durchsatz von etwa 1.600 Zellen pro Stunde möglich ist. Die bereits hergestellten Heterojunction-Module mit Klebeverbindungen zeigen eine Leistung von 320 Watt bei einer Standardgröße von 60 Zellen.
Zuverlässigkeit nachgewiesen
„Nachdem wir unsere Expertise zum leitfähigen Kleben von Siliziumsolarzellen in den letzten Jahren enorm ausbauen und im Labormaßstab erproben konnten, versetzt uns der Stringer nun in die Lage, die bleifreie Verbindungstechnologie im industriellen Maßstab mit unseren Partnern weiter zu optimieren“, erklärt Achim Kraft, Projektleiter und Leiter des Teams Verbindungstechnik am Fraunhofer ISE. „Als Hersteller von Hochleistungsstringern sind wir stolz, mit der entwickelten Klebetechnologieeinheit bei der industriellen Verschaltung der empfindlichen Heterojunction-Solarzellen vorne dabei zu sein“, ergänzt Axel Riethmüller, Projektleiter und Leiter des operativen Geschäfts bei Teamtechnik. „Über die ersten Stringerbestellungen mit Klebetechnologie dürfen wir uns bereits freuen. Das wäre ohne das gemeinsame Projekt mit dem Fraunhofer ISE nicht möglich gewesen.“
Die Zuverlässigkeit der Klebeverbindung haben die Forscher zudem in der Klimakammer nachgewiesen. Schließlich muss die Klebeverbindung mindestens 20 Jahre unter wechselnden Wettereinflüssen und vor allem bei sehr starken Temperaturschwankungen halten. Hier haben die leitfähigen Klebebändchen einen Vorteil gegenüber den bisher aufgelöteten Zellverbindern. Denn die Klebeschicht ist weniger steif und damit thermomechanisch stärker belastbar. Die Spannungen im Material bei Temperaturschwankungen verringern sich. Damit sinkt auch die Gefahr, dass durch steife Zellverbinder Mikrorisse und Brüche in den Solarzellen entstehen. (Sven Ullrich)
