Einkapselungstechnologien

Einkapselungstechnologien dienen dazu, die Solarzellen vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit, Verschmutzung und mechanischen Belastungen zu schützen und die optische und thermische Leistung sowie die Zuverlässigkeit des PV-Moduls zu verbessern. Dazu werden die Zellen in einem transparenten Polymer zwischen zwei Glasplatten oder zwischen einer Glasplatte und einer Rückseitenfolie im Laminationsprozess eingekapselt. Dabei schmilzt das Polymer unter Vakuum und hoher Temperatur und bildet einen stabilen Verbund mit den Zellen. 
 
Es gibt verschiedene Einkapselungstechnologien, die je nach Anwendung und Modultyp eingesetzt werden können, wie z.B. Glas-Glas- und Glas-Folie-Einkapselung, Leichtbaumodule oder 3D-Lamination. Die Wahl der Einkapselungsmaterialien und die Optimierung des Laminationsprozesses haben Einfluss auf die Laminationszeit, die Prozesskosten, die Langzeitstabilität und die Modulleistung. Das Fraunhofer ISE bietet verschiedene Dienstleistungen und Forschungsprojekte zur Entwicklung und Verbesserung der Einkapselungstechnologie an.

Unsere FuE-Aktivitäten zum Thema »Einkapselungstechnologien« umfassen:

• Bill-of-Material (BOM)-Entwicklung
• Prozessentwicklung
• Leichtbaumodultechnologie
• Dimensionale Module
• Materialcharakterisierung

Bei der Bill-of-Materials (BOM)-Entwicklung von PV-Modulen werden die Materialkombinationen und das Moduldesign auf die Anforderungen und die Anwendung des Solarmoduls abgestimmt. Dabei werden Aspekte wie Leistung, Zuverlässigkeit, Kosten und Prozessierbarkeit berücksichtigt. Die BOM-Entwicklung umfasst die Auswahl und den Test von verschiedenen Materialien für die Einkapselung, die Verbindung, die Front- und Rückseite des PV-Moduls sowie die Zellverschaltung. Die BOM-Entwicklung kann unterstützt werden durch Softwaretools zur Leistungsprognose und Optimierung, Kostenrechnung und Geschäftsmodelle sowie durch umfassende Charakterisierungsmethoden in akkreditierten Laboren.

Unsere Leistungen

• Entwicklung von optimierten BOMs für neue und empfindliche Zelltechnologien wie HJT oder Perowskit-Silizium-Tandem Solarzellen
• Herstellung von Kleinmustern und Großmodulen bis 2,2 m x 1,2 m
• Prüfung der Proben in akkreditierten Laboren bis zur Zertifizierungsvorbereitung
• Kunden- und materialspezifische Prozessanpassungen
• Große Materialdatenbank und Materialempfehlungen für den jeweiligen Anwendungsfall
• Entwicklung von BOMs mit neuen Materialkonzepten (Metalle, Faserverbundwerkstoffe, …)
• Detaillierte Charakterisierung der Materialien und Module

Die Prozessentwicklung für die Herstellung von PV-Modulen umfasst die Anpassung und Optimierung der Einkapselungsprozesse von Solarzellen im Laminations- oder Autoklavenprozess. Dabei werden Aspekte wie Prozessgeschwindigkeit, Prozesstemperatur, Prozessdruck, Prozesszeit und Durchsatz berücksichtigt. Ziel ist die Herstellung von defektfreien und zuverlässigen PV-Modulen in einem auf Kosten, Durchsatz oder Materialeinsatz optimierten Prozess. Die Prozessentwicklung wird unterstützt durch industrielle Anlagen, Simulationswerkzeuge und digitale Modelle, die eine schnelle Einstellung und Erprobung verschiedener Parameter ermöglichen. Die Prozessentwicklung zielt darauf ab, die Qualität und Zuverlässigkeit der PV-Module zu erhöhen und die Herstellungskosten zu senken. 

Unsere Leistungen

• Entwicklung von Prozessen für neue Materialien, Materialklassen und Modulaufbauten
• Inhouse-Versuchstage zur Evaluierung von Materialien und Prozessen
• Laminationsprozessanpassung auf Industrielaminatoren für hohen Durchsatz
• Prozessentwicklung für Autoklavenprozesse
• Entwicklung von Prozessen und Materialien zur Herstellung von 3D-gewölbten Modulen
• Kosten und LCA-Bewertung von Prozessanpassungen

Bei der Leichtbausolarmodultechnologie fokussieren wir uns auf besonders leichte aber dennoch robuste und effiziente Solarmodule. Leichtbausolarmodule verwenden spezielle Materialien und Konstruktionstechniken, die es ermöglichen das Gewicht der Module zu reduzieren, ohne dabei Abstriche in der Dauerhaftigkeit oder Leistungsfähigkeit zu machen. Dies erhöht die Einsatzmöglichkeiten in verschiedenen Anwendungen und vereinfacht Installationen. Durch die kontinuierliche Forschung und Entwicklung werden neue Materialien und Technologien erforscht, um die Effizienz der Solarmodule zu verbessern und ihre Lebensdauer zu verlängern. 

Unsere Leistungen

• Verwendung von dünnen und flexiblen Materialien wie Folien oder Faserverstärkten Materialien
• Anpassung der Anbindungs- und Integrationstechnologie
• Entwicklung Hagelstabiler Leichtbaumodule
• Optimierung von Ultra-leicht-Modulaufbauten mit einem Gewicht < 600 g

Für die Integrierte Photovoltaik werden häufig speziell geformte Solarmodule benötigt, die z.B. architektonisch ein besonderes Merkmal für Gebäude darstellen können oder sich bei Fahrzeugen an die Aerodynamik und das Design anpassen. Diese gebogenen oder 3D-geformten Module erfordern spezielle Herstellungsverfahren um ästhetisch aber auch dauerhaft haltbar zu sein. In unseren Laboren entwickeln wir die Technologien, um solche geformten Module mit hohem Durchsatz herstellen zu können. Dabei verwenden wir verschiedene Verfahren von einer für geformte Module angepassten PV-Modul-Lamination, über klassische Glas-Autoklaven-Prozesse bis hin zu neuen Einkapselungsverfahren mit geformten Faserbauteilen. Diese Verfahren eröffnen neue Möglichkeiten für die Integration von Solarenergie in Architektur, Fahrzeuge und andere Bereiche, in denen flache Module nicht geeignet sind.

Unsere Leistungen

• Formgebundene und formgebende Prozesse im Laminationsvorgang
• Formfreie Prozesse im Autoklavenvorgang
• Entwicklung von Materialaufbauten und Verschaltungsdesigns

In der Materialcharakterisierung von Materialien für die Herstellung von Solarmodulen werden umfassende Untersuchungen der physikalischen, chemischen und elektrischen Eigenschaften der verwendeten Werkstoffe durchgeführt. Ein wichtiger Aspekt ist die Bestimmung der optischen Eigenschaften, wie beispielsweise der Absorption und Transparenz. Sie ermöglicht es, das Verhalten des Lichts in den Solarmodulen zu verstehen und Maßnahmen zur Optimierung der Lichtausbeute zu ergreifen. Darüber hinaus werden auch die strukturellen Eigenschaften der Materialien untersucht, um ihre mechanische Stabilität und Haltbarkeit zu bewerten. Dies beinhaltet die Analyse der Materialzusammensetzung, der Kristallstruktur und der Defekte im Material.

Unsere Materialcharakterisierung umfasst eine Vielzahl von Analysemethoden, darunter spektroskopische Techniken, elektrische Messverfahren, Röntgenbeugung, Mikroskopie und chemische Analyseverfahren. Durch diese umfassende Charakterisierung können wir wichtige Erkenntnisse gewinnen, um die Entwicklung und Optimierung von Materialien für die Herstellung von Solarmodulen voranzutreiben.

Unsere Leistungen

• Soxhlet zur absoluten Bestimmung des Vernetzungsgrades der verschiedenen gängigen Einkapselungsmaterialien wie z.B. EVA und POE
• Dynamisch-mechanische Analyse (DMA) zur Bestimmung des Speichermoduls und des Verlustfaktors der Einkapselungsmaterialien in Abhängigkeit von der Temperatur
• Zugversuch zur Bestimmung der Zugfestigkeit, Dehnung und Bruchenergie der Einkapselungsmaterialien und der Haftung auf verschiedenen Materialien
• Weitere Tests im zur Schadensuntersuchung von PV Modulen