Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISESource Energy und das Fraunhofer ISE haben ein neues Konzept für zuverlässige Solarstromerzeugung im Weltraum entwickelt. Durch die Kombination von Silizium-Solarzellen mit einer innovativen Schindel-Matrix-Verbindungstechnik konnten sie Solarmodule konstruieren, die Mikrometeoriteneinschlägen und extremen Temperaturschwankungen standhalten und auch nach sieben Jahren im Orbit noch 76 % ihrer ursprünglichen Leistung liefern. Das eröffnet neue Möglichkeiten für kostengünstige LEO-Satellitenmissionen (Low Earth Orbit).
Entwicklung von Schindel-Matrix-PV-Modulen für LEO- und GEO-Satelliten
Kosteneffiziente Silizium-PV-Technologie für den Weltraum
Najwa Abdel Latif, Projektleiterin am Fraunhofer ISE, prüft ein fertiges Solarmodul für den Einsatz im Weltraum.
Ausgangslage
Das Unternehmen Source Energy möchte den derzeitigen langen Lieferzeiten und hohen Preise für Solaranlagen im Weltraum etwas entgegensetzen. Mit Unterstützung des Fraunhofer ISE hat es daher in seinen Solarmodulen und -flügeln III-V-Solarzellen – den aktuellen Standard für Solarzellen in Weltraumanwendungen – durch Silizium-Solarzellen ersetzt.
Die auf Siliziumwafern basierende Technologie dominiert den terrestrischen Markt mit einem Anteil von 95 %. Aufgrund ihrer hohen Verfügbarkeit bei geringen Kosten bieten Silizium-Solarzellen großes Potenzial für Weltraumanwendungen, wie beispielsweise LEO-Satelliten, bei denen das Gleichgewicht zwischen Kosten und Wirkungsgrad sowie die Langzeitstabilität eine wichtige Rolle spielen.
In der aufstrebenden Weltraumwirtschaft besteht ein wachsender Bedarf an zuverlässiger, kostengünstiger und effizienter Photovoltaik.
Ziel
Source Energy wandte sich im Jahr 2023 an das Fraunhofer ISE,
- um die Qualität und Robustheit ihrer PV-Module und -Anlagen weiter zu verbessern
- die Kosten durch den Aufbau einer halbautomatisierten Produktionslinie weiter zu senken.
Wir sind diese Aufgabe gemeinsam mit ihnen angegangen, indem wir eine neue Zellverschaltungstechnologie auf Basis von Schindel-Matrix einführten. Bei diesem technologischen Ansatz werden einzelne Solarzellen in Streifen – Schindeln – geschnitten und mit leicht überlappend, versetzt zueinander angeordnet, ähnlich wie bei einem Mauerwerk. Ein elektrisch leitfähiger Klebstoff verbindet die Solarzellen miteinander.
Drei Vorteile machen die Schindel-Matrix-Verbindung zur perfekten Lösung für den Weltraumeinsatz: Die Matrixstruktur ermöglicht es dem Strom, beschädigte Bereiche zu umfließen, wodurch das Modul widerstandsfähig gegen Einschläge kleiner Meteoriten oder Weltraummüll ist. Zusätzlich ermöglicht die Verschaltung eine hohe Flexibilität bei der Anordnung, wodurch eine Vielzahl von Modul- und Flügel-Größen möglich ist. Drittens führt die Verbindung mittels leitfähigem Klebstoff dazu, dass die Solarmodule widerstandfähiger gegenüber den im Weltraum herrschenden extremen Temperaturunterschieden sind, als sie es mit herkömmlichen Drahtverbindungen wären.
Lösungsansatz
Das Fraunhofer ISE entwickelte gemeinsam mit Source Energy Solarmodule sowie kleine und große Solarflügel für Weltraumanwendungen, die alle auf der Schindel-Matrix-Technologie basieren, und unterstützte die Linienplanung für die Modulproduktion. Der deutsche Maschinenbauer M10 Solar Equipment lieferte einen Schindel-Matrix-Stringer als Kernanlage für die neue Fertigungslinie.
Bei kleineren, lokalen Schäden durch Einschläge sorgt die Matrixanordnung der Solarzellen dafür, dass der Strom den beschädigten Bereich einfach umfließt.
Für die Zell-Matrixen stellte das Fraunhofer ISE sicher, dass ausschließlich Materialien verwendet wurden, die ihre Leistungsfähigkeit unter den rauen Bedingungen im Weltraum beibehalten. Source Energy testete die Modulprototypen gründlich auf ihre Weltraumtauglichkeit (siehe Grafik). Die Tests bestätigen, dass die PV-Module und -Flügel von Source Energy nach sieben Jahren im Weltraum voraussichtlich noch 76 % ihrer ursprünglichen Leistung liefern werden.
Es wurden verschiedene Arten von Tests durchgeführt, um die Eignung des neuen Moduldesigns für den Weltraumeinsatz zu prüfen.
Ergebnisse
Die final abgenommenen Solarmodule sind kompakt und leicht: Sie wiegen 64 Gramm und haben eine Fläche von 629 Quadratzentimetern (321 mal 209 Millimeter). Die durchschnittliche Leistung der Prototypen betrug 15,6 Watt – wobei einzelne Module 16,1 Watt erreichten – und der durchschnittliche Wirkungsgrad der aktiven Fläche lag bei 18,8 % (AM0 bei 25 °C). Das Modul weist eine spezifische Leistung von durchschnittlich 244 Watt pro Kilogramm auf und erreicht bis zu 252 Watt pro Kilogramm, damit ist es gegenüber Siliziummodulen seiner Klasse wettbewerbsfähig.
Dank des neuen Moduldesigns und der halbautomatisierten Produktionslinie kann Source Energy erhebliche Einsparungen bei den Herstellungskosten erzielen und seinen Kunden eine Lieferzeit von weniger als sechs Monaten ab Bestellung für Solarmodule und kleinere Solarflügel anbieten.
Schindel-Matrix Solarmodule sollen ihren ersten Einsatz im All ab Anfang 2027 haben und LEO-Satelliten zuverlässig mit Solarstrom versorgen.
Die Weltraum- Solarmodule sind kompakt und leicht mit einer durchschnittlichen Leistung von 15,6 Watt.