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Herstellung von PV-Modulen: Blick in die Produktionshalle.
© Heckert Solar
Photovoltaik – Module optimieren
13.09.2018

Darstellung der CTM-Analyse für ein industrieübliches 5-Busbar-Modul, die mit dem Softwaretool SmartCalc.CTM errechnet wurde. Sie verdeutlicht die Einflüsse der unterschiedlichen Gewinn- und Verlustmechanismen auf die Modulleistung. Legende: Summe Zellleistung (STC), k3) Reflexion Frontglas, k4) Absorption Frontglas, k5) Reflexion Frontglas/Einkapselungsmaterial, k6) Absorption Einkapselungsmaterial, k7) Verschattung Zellverbinder, k8) optische Kopplung Zelle/Einkapselung, k9) Reflexion Finger, k10) Reflexion Zellverbinder, k11) interne Reflexion Modulrückseite, k12) elektr. Widerstand Zellverbinder, k13) elektr. Widerstand Stringverbinder, k14) elektr. Fehlanpassung Zelle, k15) Anschlussdose und Kabel, Modulleistung (STC)
© Fraunhofer ISE

Darstellung der optischen und elektrischen Verlustmechanismen, die das Rechenmodell zur Qualitätsbewertung von PV-Modulen berücksichtigt.
© Fraunhofer CSP

Ein typisches Si-basiertes PV-Modul; es zeigt in schematischem Querschnitt und Draufsicht die verschiedenen Verlust- und Verstärkungsmechanismen: 1) Reflexionsverlust Luft/Glas, 2) Absorptionsverlust Glas, 3) Reflexionsverlust Glas/Verkapselungsmaterial, 4) Absorptionsverlust Verkapselungsmaterial, 5) Kopplungsverstärkung Kap./Zelle, 6) Reflexion an der Innenseite des Glases, 7) Verluste an Modulrand und Zwischenraum, 8) Umleitungsverstärkung aus inaktivem Bereich, 9) Verschattungsverluste Kontakte (Busbars, Kontaktfinger), 10) Lichtumlenkung Kontakte, 11) Ohmsche Verluste Verschaltung / Kontakte.
© Fraunhofer CSP

Leistung von PV-Modulen verbessern

Normalerweise ist die Leistung von Solarmodulen niedriger als die kumulierte Leistung der in ihnen verbauten Solarzellen. Unterschiedliche optische und elektrische Verlustmechanismen sowie optische Gewinne beeinflussen die Leistung der im Photovoltaik-Modul integrierten Zellen. Forscher suchen nach Möglichkeiten, die Leistung von Modulen zu verbessern, ohne die Zelle zu verändern. Dazu kombinieren sie alle Komponenten so, dass die erzielte Modulleistung höher ist als die addierte Leistung der einzelnen Zellen.

In Zusammenarbeit mit insgesamt 12 Industriepartnern untersuchen das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP Gewinn- und Verlustmechanismen von der Solarzelle zum Photovoltaik-Modul. Sie wollen das Sonnenlicht noch effektiver in die Solarzelle leiten und optische und elektrische Verlustursachen im PV-Modul minimieren. Ihr Ziel ist, das Verhältnis zwischen Modulleistung und der Summe der Zellleistungen zu verbessern, ohne die integrierten Zellen selbst zu verändern.

Dieses Leistungsverhältnis von der Zelle zum Modul wird durch die Kennzahl CTM (cell-to-module) beschrieben. Die Forscher wollen mit Zellen aus der aktuellen Industrieproduktion leistungsfähigere Module aufbauen. "Ziel des Projekts CTM100+ sind Qualitätsmodule, die über 100 Prozent der Zellleistung erreichen", erklärt Prof. Jens Schneider vom Fraunhofer CSP, Koordinator des Projekts. Die verbauten Zellen sollen also innerhalb des Moduls mehr Leistung bringen, als sie es einzeln gekonnt hätten.

Die Forscher entwickelten eine Technologie-Roadmap für Qualitäts-Solarmodule mit einem CTM von über 100%. Dafür untersuchen sie neben dem Modulaufbau auch die verwendeten Materialien. Damit die Sonnenstrahlen möglichst ungehindert zu den Solarzellen gelangen, soll zum Beispiel die Reflexion des Glases reduziert werden. Die Forscher stellten verschiedene Modulmaterialien, Materialkombinationen und Moduldesigns her. Diese charakterisierten sie messtechnisch und erfassten anschließend das Zusammenwirken in optischen und elektrischen Modellen. Um eine kontinuierliche Verbesserung zu erreichen, stellten die beiden Fraunhofer-Institute neue optimierte Module her. Die erreichten Verbesserungen überprüften sie gemeinsam mit einem Expertenkreis von Anlagenbauern und Herstellern von Komponenten, Messtechnik und Modulen.

Softwaretool hilft Entwicklern und Herstellern, die Modulleistung zu steigern

Zur gezielten CTM-Analyse der unterschiedlichen Zell- und Moduldesigns wurde eine am Fraunhofer ISE entwickelte Systematik zur Messung und Berechnung der einzelnen Gewinn- und Verlustmechanismen verwendet und weiterentwickelt. Diese Berechnungsmodelle wurden in ein Softwaretool überführt. Es dient dazu, Zell-zu-Modul-Verluste und Gewinne für Solarmodule schnell zu berechnen und ermöglicht flexibles virtuelles Prototyping.

Die Software ermittelt optische, elektrische und geometrische Verluste und Gewinne der Zellleistung. Sie versetzt PV-Hersteller in die Lage, zu messen, welche Auswirkung unterschiedliche Materialien auf die Modulleistung haben. Damit können die Hersteller Komponenten optimal aufeinander abstimmen und Module mit bestmöglicher Leistung produzieren. Die Software ermöglicht es ihnen außerdem, bereits vorab zu bewerten, welche Effekte neue Materialien und Komponenten bewirken.

Die optischen und elektrischen Eigenschaften unterschiedlicher Solarzellen und Modulmaterialien sind im System hinterlegt. Es umfasst verschiedene Moduldesigns und Solarzellentypen, Kontaktierungs- und Verschaltungsverfahren. Damit können Hersteller von Gläsern, Antireflexbeschichtungen, Einbettungsfolien, Zellverbindern oder Rückseitenfolien herkömmliche und neue Modulaufbauten zunächst am Rechner simulieren und Materialeigenschaften direkt auf Modulebene bewerten.

Mithilfe der Optimierungssoftware wurden im Module Technology Evaluation Center des Fraunhofer ISE zum Beispiel Halbzellenmodule mit einem CTM von 104% (Modulleistung 256 W) oder Multibusbar-Module mit 306 W hergestellt. Der PV-Hersteller Heckert Solar erreichte mit der Software bei eigenen Modulen eine Leistungssteigerung von rund 0,5%. Die Firma will das System weiterhin nutzen, um die Modulleistung kontinuierlich zu verbessern.

Neues Rechenmodell zur Vorhersage von Leistungsverlusten

Das Fraunhofer CSP stellte im April ein weiter entwickeltes Modell zur Qualitätsbewertung von PV-Modulen vor. Die Software berücksichtigt die Wechselwirkung von eingestrahltem Licht und Strom sowie Wärmeerzeugung. Es bezieht optische und elektrische Effekte in die Berechnung von optischen Reflektionen, Wärmequellen und Energieverluste in Photovoltaikmodulen ein. Das Rechenmodell stützt sich dabei auf mit Standardmessgeräten erhobene experimentelle Daten. Ausgehend von einem beliebigen (Sonnen-)Spektrum ermöglicht es, diese Verluste zuverlässig vorherzusagen. Neben den CTM-Werten liefert es auch Informationen über die im PV-Modul auftretenden Wärmeverluste.

(gh)

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Cell-to-Module

Der Wert CTM beschreibt das Verhältnis der Modulleistung zur Summe der Zellleistungen. Heutige Solarmodule können die Leistung der Zellen überschreiten. Sie erreichen dann eine CTM größer als 100%. Diese Module realisieren optische Gewinne, die höher sind als die optischen und elektrischen Verluste. Um das zu erreichen, müssen die Modul-Entwickler exakt die passenden Materialien und Technologien auswählen und optimal kombinieren.

Links

CTM-Charakterisierung und -Optimierung (Englisch)
Infoblatt des Fraunhofer CSP

Smartcalc.CTM
CTM-Software des Fraunhofer ISE

Software reduziert Verluste
Blogbeitrag Max Mittag, Fraunhofer ISE

Infotipps

Mit neuem Verfahren näher an die ideale Solarzelle
BINE-Projektinfo 13/2017

Solarzellen günstiger produzieren
BINE-Projektinfo 02/2017

Forschungsförderung

Das Informationssystem EnArgus bietet Angaben zur Forschungsförderung, so auch zu diesem Projekt.