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Leistungsschub für PV-Module durch cleveres Lichtmanagement

Leistungsschub für PV-Module durch cleveres Lichtmanagement

Ein wichtiges Ziel bei der Entwicklung von PV-Modulen ist es, so viel Licht wie möglich in elektrische Energie umzuwandeln und Verluste durch Reflexion und Absorption zu reduzieren. Da kristalline Solarzellen in ihrer Größe begrenzt sind, entsteht durch die Abstände zwischen den Zellen eine “inaktive” Modulfläche, die den Modulwirkungsgrad senkt. Die PV-Industrie ist sich dieses Verlustes sehr wohl bewusst und verwendet daher seit Jahrzehnten weiße Rückseitenfolien, die zumindest einen Teil des Lichts aus diesen Bereichen auf die Zelle reflektieren. Während die Gewinne beträchtlich sind (typischerweise etwa 2% in der Leistung), begrenzt die meist diffuse Rückseitenreflexion physikalisch die Lichtmenge, die von den Zellzwischenräumen geerntet werden kann.

Reflexionsgewinne durch weiße Rückseiten in PV-Modulen. © Fraunhofer ISE

Die diffusen Reflexionseigenschaften von weißen Rückseiten sind auch für ein weiteres Phänomen verantwortlich: Die Reflexionsgewinne nehmen mit der inaktiven Fläche zu. Das heißt, je mehr weiße Fläche im Modul sichtbar ist, desto mehr Licht wird auf die Solarzelle reflektiert.

Die Reflexionsgewinne in PV-Modulen abhängig vom Zellenabstand und der Zellenseite
Die Reflexionsgewinne in PV-Modulen abhängig vom Zellenabstand und der Zellenseite. © Fraunhofer ISE

Die Nutzung dieses Effekts ist ein relevanter Mechanismus zur Erhöhung des sogenannten Zelle-zu-Modul-Verhältnisses (engl. „Cell-to-Module“, CTM). Dieser Leistungsindikator beschreibt im Wesentlichen, wie viel Leistung ein PV-Modul im Verhältnis zu den verwendeten Zellen erzeugt. Natürlich ist es einfacher, ein Hochleistungsmodul mit exzellenten Solarzellen zu bauen, aber es ist viel schwieriger, eine hohe Modulleistung mit nur mittelmäßigen Zellen zu erreichen – der CTM spiegelt das wider.

Für einen Modulhersteller, der die Modulleistung optimieren möchte, könnten zusätzliche Zellabstände eine Option sein. Dabei müssen aber Effizienzverluste berücksichtigt werden: Je mehr Fläche dem Modul hinzugefügt wird, desto geringer ist der Modulwirkungsgrad. Da die Solarzelle die teuerste Komponente in einem PV-Modul ist, sind Reflexionsgewinne durch billigere Komponenten (d.h. die weiße Rückseitenfolie) eine Methode, um die spezifischen Modulkosten (€/Wp) zu senken.

Bemühungen zur Verbesserung des Lichtmanagements in PV-Modulen haben daher eine lange Tradition. Strukturierte Gläser, Reflektoren auf Zellverbindern oder Antireflexbeschichtungen (ARC) sind in der Industrie gut bekannt, und viele verschiedene Ansätze wurden ausprobiert und eingeführt. Interessanterweise blieb die weiße Rückseitenfolie aber nichts als ein weißer, diffuser Reflektor.

Zu Beginn der PV-Forschung vor einigen Jahrzehnten verwendeten die ersten PV-Module einen Glas-Glas-Aufbau, und es wurde noch keine Rückseitenfolie verwendet. Als der Kostendruck zunahm, wurde das zweite Glas durch günstigere Polymerfolien ersetzt und durch die Reflexionsgewinne ein Zusatznutzen geschaffen. Vor einigen Jahren begann die Wiedereinführung von Glas-Glas-Modulen aus verschiedenen Gründen, wobei die Bifazialität von Solarzellen einer der wichtigsten sein dürfte.

Für die Bifazialität sind weiße Rückseiten offensichtlich nicht die beste Lösung: Die Zellen benötigen eine transparente Rückseitenfolie, um die zusätzliche Sonneneinstrahlung aus der Bodenreflexion zu nutzen. Auf der anderen Seite ist auch Glas nicht perfekt, da die internen Reflexionsgewinne verloren gehen. Eine Lösung musste gefunden werden…

Intelligent Control System (ICS) und das Fraunhofer ISE haben ein neuartiges System optischer Elemente entwickelt und getestet, das von einer gerichteten Reflexion des Lichts profitiert: Die Einstrahlung auf den Zellen wird erhöht, kein Licht passiert das Modul “ungenutzt”, und es wird mehr Leistung generiert.

Funktionsprinzip des Solarenergie-Optik (SEO)- Reflektorsystems in einem Glas-Glas-Solarmodul. © Fraunhofer ISE

Am Fraunhofer ISE wurde bei Zellabständen von 10 mm eine bis zu 10 % höhere Stromstärke gemessen, bei typischeren Abständen von 4 mm immer noch knapp 6 %.

Eine einfache Taschenlampe zeigt die Wirksamkeit der internen Reflexion. © Intelligent Control System (ICS)

Die Messungen am Fraunhofer ISE belegen eindeutig, dass alle Modultypen von einem optimierten Lichtmanagement profitieren – der Reflektor “Solar Energy Optics” (SEO) kann auch zusammen mit Backsheets eingesetzt werden. Besonders interessant ist die Technologie natürlich für bifaciale Solarzellen, da sie ausschließlich in den Zell- und String-Abständen eingesetzt werden kann, ohne die aktive Rückseite der Solarzelle abzuschatten.

Solaroptisches Reflektorband von ICS - flexibler Einsatz möglich
Solaroptisches Reflektorband von ICS – flexibler Einsatz möglich. © Intelligent Control System (ICS)

Das Fraunhofer ISE hat den Reflektor auch für verschiedene Modulaufbauten (z.B. Glas-Rückwand oder Glas-Glas, Voll- und Halbzellen, mono- und bifaciale Aufbauten) getestet und führt in seinem TestLab PV Modules Zuverlässigkeitstests durch.

Weitere Informationen:

Andrea Pfreundt

Andrea Pfreundt

Andrea Pfreundt ist Wissenschaftlerin im Team Modulsimulation und dort verantwortlich für die Entwicklung von physikalisch-technischen Modellen zur Verlustanalyse in PV-Modulen.

Sie hat Physik in Marburg und Nanowissenschaften in Lund, Schweden studiert und 2015 an der Dänischen Technischen Universität in Kopenhagen im Bereich Biosensoren promoviert. Seit 2017 ist sie am Fraunhofer ISE, in der Abteilung Modultechnologie und beschäftigt sich vorwiegend mit der Entwicklung von Modellen für die Moduleffizienzanalyse, der Modul- und Materialcharakterisierung sowie der Analyse von neuen Modulkonzepten.

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