Software reduziert Verluste von Solarmodulen

In einem Photovoltaik (PV)-Modul werden mehrere Solarzellen miteinander verschaltet. Die Summe der Leistungen der einzelnen Solarzellen entspricht jedoch nicht der Gesamtleistung des fertigen PV-Moduls. Es treten Leistungseinbußen, z. B. durch Reflexion, Absorption oder elektrische Verluste, auf. Diese Zelle-zu-Modul-Verluste (Cell To Module – CTM) haben großen Einfluss auf die spätere Leistungsfähigkeit des Solarmoduls und variieren erheblich – je nach eingesetzten Solarzellen, Materialien oder Modulkonzept. Ausgehend von verschiedenen Materialparametern haben wir am Fraunhofer ISE ein Modell zur Berechnung dieser Abweichungen erarbeitet und mit SmartCalc.CTM eine Software entwickelt, um Module (noch) effizienter zu machen.

In den vergangenen Jahren wurde von Forschung und Industrie viel Know-how und Engagement in die Weiterentwicklung von Solarzellen investiert. Dadurch konnte sowohl die Effizienz erheblich erhöht, als auch die Kosten massiv gesenkt werden. Um diese Leistungssteigerungen in der praktischen Anwendung nutzen zu können, muss auch die Integration der Solarzellen in Module optimiert und langfristig alterungsstabil und gleichzeitig verlustarm umgesetzt werden. Um den Aufbau eines PV-Moduls zu optimieren, haben wir in der Gruppe »Photovoltaische Module« am Fraunhofer ISE eine Software entwickelt, die Hersteller im PV-Bereich dabei unterstützt, Materialien, Komponenten und ihr Zusammenspiel zu analysieren und so möglichst leistungsstarke Module zu erhalten.

Von der Solarzelle zum Modul: das Zusammenspiel verschiedener Faktoren

Die sogenannten Zelle-zu-Modul-Verluste und -Gewinne (Englisch: cell-to-module, CTM) beschreiben die Effizienz der Modulintegration. Beeinflusst werden sie durch geometrische Faktoren, wie ungenutzte Modul-Randflächen, optische Faktoren – wie Reflexion und Absorption – sowie durch elektrische Verluste. Es treten aber nicht nur Verluste auf, sondern auch der gegenteilige Effekt kann der Fall sein: Durch zusätzliche Reflexion von Licht auf die Solarzelle oder deren verringerte Reflexion im Modul lassen sich Gewinne gegenüber der initialen Leistungsmessung der Solarzellen erzielen. Strebt ein Modulhersteller höchste Leistungswerte für seine PV-Module an, kann er durch Analyse und Optimierung dieser beeinflussenden Faktoren die Moduleffizienz erheblich steigern.

Die Einflussfaktoren gliedern sich nach den physikalischen Mechanismen und der jeweiligen Modulkomponente, welche die Leistungsveränderung bewirkt. Auf diese Weise lassen sich Potenziale für Verbesserungen leicht erkennen und nutzen (s. Abb. 1).

Verändert man die Modulmaterialien, den grundsätzlichen Aufbau des Moduls oder die Solarzellen, ändern sich die CTM-Faktoren zum Teil erheblich. Eine Optimierung aller Faktoren kann bei gut abgestimmten Materialien und Modulkonzepten sogar zu einem Gewinn an Leistung gegenüber der Summe aller Zellleistungen führen. Für Modulhersteller ist die genaue CTM-Analyse also ein wichtiges Werkzeug zur Verbesserung ihrer Produkte und zur Senkung der Modulkosten.

SmartCalc.CTM: Moduleffizienz benutzerfreundlich analysieren

In der Gruppe »Photovoltaische Module« am Fraunhofer ISE haben wir nicht nur ein detailliertes Modell zur Beschreibung dieser Faktoren entwickelt, sondern dieses auch in eine anwenderfreundliche Software umgesetzt. SmartCalc.CTM (www.cell-to-module.com) ermöglicht die vollständige und detaillierte Analyse der Gewinn- und Verlustfaktoren in Solarmodulen. Mit der einfach zu bedienenden graphischen Benutzeroberfläche können Nutzer nicht nur die Auswirkungen neuer Materialien auf die Modulleistung beurteilen, sondern auch völlig neue Modulkonzepte analysieren – und das noch vor der ersten Prototypenherstellung.

Solarzellen, Einkapselungsmaterialien oder Modulgläser lassen sich mit der Software einfach anpassen. So kann der Einfluss neuer Materialien auf die Moduleffizienz beurteilt werden. Auch neue Technologien können analysiert werden: z. B. halbe Solarzellen, Runddraht-Zellverschaltung oder leitfähiger Klebstoff anstatt herkömmlicher Löttechnologien. Die hinterlegten wissenschaftlichen Funktionen von SmartCalc.CTM sind detailliert und flexibel und ermöglichen die Bewertung neuer Modulkonzepte.

Zur Veranschaulichung ein Beispiel: Ein Modulhersteller möchte sein Produkt weiterentwickeln für das er bereits eine Analyse der CTM-Faktoren durchgeführt hat (s. Abb. 1). Er überlegt auf halbierte Solarzellen zurückzugreifen und das Modul als Glas-Glas-Laminat zu fertigen. Mit Hilfe von SmartCalc.CTM kann er innerhalb von Minuten seine Pläne beurteilen. Das Ergebnis: Die Leitungssteigerung für das neue Produkt beträgt nur 1,0 Wp (+0,3%_rel) pro Modul gegenüber seinem bisherigen Produkt.

Woher kommt diese Veränderung? Durch die Verwendung halber Solarzellen steigt der Anteil der Zellzwischenräume und damit die elektrisch inaktive Fläche im Modul. Das verringert zwar die Moduleffizienz, steigert aber normalerweise die Modulleistung, denn die weiße Rückseitenfolie reflektiert zusätzliches Licht auf die Solarzellen. Da der Modulhersteller aber ein Glas-Glas-Modul umsetzen möchte, kann er diese Gewinne nicht realisieren: Das Licht der Zellzwischenräume strahlt durch das Modul und reflektiert nicht. Positiv wirkt sich allerdings die Verwendung der Halbzellen auf die elektrischen Verluste aus. Durch die kleineren Zellen sinkt der flächenabhängige Strom, wodurch sich die Widerstandsverluste im Zellverbinder um etwa 75 Prozent reduzieren. Insgesamt ist die Leistungssteigerung dennoch nur gering. Mit seinen Material- und Prozesskosten kann der Modulhersteller aber beurteilen, ob sich ein Umstieg trotzdem lohnen würde, weil er beispielsweise die Kosten für den Modulrahmen einsparen kann. Möchte der Modulhersteller die Reflexionsgewinne aus dem Zellzwischenraum zusätzlich realisieren, könnte er das rückseitige Glas mit einer reflektierenden Schicht versehen oder weißes Einkapselungsmaterial hinter den Zellen verwenden. So würde sich der Vorteil der Halbzellen voll auf die Modulleistung übertragen.

Je nach verwendeten Materialien und Modulkonzept variieren die Gewinn- und Verlustfaktoren. Die von uns entwickelte Software hilft, die jeweils bedeutenden Faktoren zu identifizieren und erlaubt somit eine zielgerichtete Optimierung. Das spart dem Hersteller viel Zeit, senkt die Entwicklungskosten und zeigt Effizienzpotenziale auf.

SmartCalc.CTM und die dahinter liegenden wissenschaftlichen Modelle werden am Fraunhofer ISE ständig weiterentwickelt und überprüft. Neue Technologien – wie innovative Solarzellen oder Modulkonzepte – lassen sich in wenigen Minuten analysieren, wobei die Genauigkeit des Programms bei +/- 2 Prozent gegenüber Messungen liegt. Da die Modelle auf nur wenigen Materialparametern und Eingabewerten beruhen, lassen sich auch neue Materialien schnell beurteilen: Das Material wird von uns vermessen, ins Tool importiert und anschließend seine Auswirkungen auf die Modulleistung mit wenigen Mausklicks bestimmt.

Für unsere Forschungs- und Entwicklungsarbeit am Fraunhofer ISE ist SmartCalc.CTM bereits ein unverzichtbares Werkzeug: Wir nutzen die Software zur Vorbereitung und Auswertung von Experimenten, Analyse neuer Technologien, Verbesserung bestehender Module oder im Kontakt mit den Qualitätssicherungs- und Entwicklungsabteilungen unserer Partner.