COMMIT – Effiziente und zuverlässige Drahtverschaltung von Solarzellen

Laufzeit: Oktober 2013 - Oktober 2016
Auftraggeber / Zuwendungsgeber:
Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi)
Kooperationspartner: Gebr. Schmid GmbH
Projektfokus:
Homogenes Erscheinungsbild von drahtverschalteten Zellen in einem Modul.
© Fraunhofer ISE

Homogenes Erscheinungsbild von drahtverschalteten Zellen in einem Modul.

Finite-Elemente-Simulation der Zelldurchbiegung und thermomechanischen Spannungen nach einem einseitigen Lötprozess.
© Fraunhofer ISE

Finite-Elemente-Simulation der Zelldurchbiegung und thermomechanischen Spannungen nach einem einseitigen Lötprozess.

Mittels Photolumineszenzmessung aufgenommene, ortsaufgelöste Darstellung des Serienwiderstands einer kontaktierten Solarzelle. Rechts: 3-Busbar Solarzelle; links: Solarzelle mit Drahtverschaltung.
© Fraunhofer ISE

Mittels Photolumineszenzmessung aufgenommene, ortsaufgelöste Darstellung des Serienwiderstands einer kontaktierten Solarzelle. Rechts: 3-Busbar Solarzelle; links: Solarzelle mit Drahtverschaltung.

Zur Verschaltung kristalliner Solarzellen werden heute Flachdrahtverbinder auf die Busbars der Zelle gelötet. Eine Alternative ist die Verschaltung mit dünnen Runddrähten. Dadurch ist eine homogenere Stromverteilung auf der Zelle, ein geringerer Silberverbrauch für die Vorderseitenmetallisierung sowie eine höhere Modulleistung durch verbesserte Lichtreflexion möglich. Darüber hinaus haben die vielen dünnen Drähte auf der Zelle ein homogenes, ästhetisch ansprechendes Erscheinungsbild. Unsere Messungen zeigen, dass Solarmodule mit dieser Drahtverschaltungstechnologie unter beschleunigter Alterung eine sehr gute Zuverlässigkeit und potenziell höhere Wirkungsgrade als Standardmodule haben.

In Zusammenarbeit mit dem Anlagenhersteller SCHMID entwickeln wir eine neue Generation von Stringern. Dabei werden die lotummantelten Drähte auf die Solarzelle weichgelötet. Die Vorteile des Konzepts liegen in der einfachen Nachrüstung in bestehende Modulproduktionen und in der Verwendung von etablierten zinnhaltigen Standardloten und -prozessen.

Bislang konnte eine Silbereinsparung von 50 % durch die Anpassung der vorderseitigen Metallisierung und durch die Direktkontaktierung von rückseitigem Aluminium erreicht werden. Eine weitere Reduktion wird derzeit evaluiert. Eine Schlüsselrolle spielt dabei die detaillierte Charakterisierung von Fügestelle und Metallisierung. So konnte die PL-RS-Methode für Solarzellenverschaltung weiterentwickelt und die um 23 % geringeren seriellen Widerstandsverluste ortsaufgelöst quantifiziert werden. Des Weiteren ermöglicht eine spezielle Präparationsmethodik die mikrostrukturelle Analyse der Fügestellen und die Adhäsionsprüfung zur Zelle auch nach beschleunigten Alterungstests. Mittels validierter FEM-Simulationen berechnen wir die thermomechanischen Spannungen nach dem Lötprozess in Abhängigkeit unterschiedlicher Metallisierungsdesigns. Der Fügeprozess und die Siebdruckgeometrie konnte so stetig verbessert werden. Die Abzugkräfte liegen deutlich oberhalb 1 N/mm Lötbahnbreite. Auch kritische Zuverlässigkeitstests aus der IEC 61215 zur Überprüfung der Langzeitstabilität wurden bestanden. Es zeigte sich, dass die Lötstellen eine sehr gute mechanische Festigkeit aufweisen und den Belastungen der Solarmodulprüfung standhalten.