Zell-Verbindungstechnologie

In einem PV-Modul sind Solarzellen elektrisch durch Stränge verbunden. Die Verbindung verursacht ohmsche und optische Verluste in einem Modul und beeinflusst die Produktzuverlässigkeit. In unserem Module Technology Center (Modul-TEC) setzen wir verschiedene Verbindungstechnologien und industrielle Stringeranlagen ein:

• Runddrahtverbindungen
• Schindelverbindungen
• Flachdrahtverbindungen
• Verbindung von Silizium-Heterojunction- und Tandem-Solarzellen
• Bleifreie Zellverbindungen

Verglichen mit einer Verbindung durch konventionelle Zellverbinder lassen sich bei einer Verbindung von Solarzellen mit Runddrähten die elektrischen und optischen Verluste reduzieren. Durch den geringeren Serienwiderstand und die optimierte Lichtstreuung des Runddrahts zurück auf die Solarzelle wird eine höhere Leistung der Module erzielt.

Die Drähte haben einen Kupferkern mit einem Durchmesser von 200 µm bis 400 µm und sind mit einem bleifreien oder bleihaltigen Lot ummantelt. Wie bei konventionellen Zellverbindern werden die Drähte mittels Weichlöten oder leitfähigem Kleben auf den Solarzellen fixiert, um die Zellen zu verbinden. Eine Herausforderung bei der Verbindung mit Runddrähten ist das Auftreten von thermomechanischen Spannungen, die zu Mikrorissen in Solarzellen führen und die Lebensdauer von PV-Modulen verkürzen können.

Am Fraunhofer ISE arbeiten wir an der Entwicklung von gewellten Drähten, die die thermomechanischen Spannungen reduzieren und eine busbarfreie Verbindung der Kontaktfinger oder die spannungsarme Verbindung von Rückkontaktsolarzellen möglich machen.

Die Schindelverbindung von Silizium Solarzellen bietet ein ästhetisches Design und hohe Modul-Wirkungsgrade. Ein leitfähiger, bleifreier Klebstoff verbindet die Solar-Zell-Schindeln schonend, zuverlässig und mit hoher Leitfähigkeit. Zur automatisierten und industrienahen Fertigung von Schindel-Strings verfügen wir über einen Klebe-Stringer, der verschiedene Zell-Formate und Kantenlängen von Schindel-Solarzellen zu Strings beliebiger Länge verarbeiten kann. Dabei können wir die Klebstoffauftragsmenge, die Größe des Zellüberlapps sowie die Dauer und Temperatur der Klebstoffaushärtung optimieren und präzise einstellen.

In unserem Module-TEC können wir über eine H-Portal-Automatisierung die Solarzellen-Schindeln auch in Matrix-Technologie verbinden. Bei der Matrix-Verbindung kann durch das zusätzliche seitliche Versetzen der Schindel-Solarzellen die zur Verfügung stehende Fläche maximal genutzt werden. Die Schindelsolarzellen sind dann in Reihe und gleichzeitig parallel verbunden, sodass eine Zellmatrix beliebiger Größe entsteht, die im Betrieb besonders robust auf Teilverschattungen reagiert.

Kristalline Solarzellen werden meist mithilfe von schmalen Leiterbahnen an der Ober- und Unterseite kontaktiert und in Reihe zu „Strings“ (deutsch: Strang) in einem Modul verbunden. In unserem Technikum verbinden wir auf industriellen Stringeranlagen Solarzellen mit hohem Durchsatz auf Basis von Löttechnologie und leitfähigem Kleben. Unsere Anlagen verarbeiten Voll-, Halb- oder Drittelzellen mit 5, 6, 9 und 12 Busbars in den Formaten M6 bis M12. Wir gehen flexibel auf den Bedarf ihrer Modulprojekte ein.

Die Stringer am Fraunhofer ISE prozessieren industrieübliche PERC-, Heterojunction- und TOPCon-Solarzellen auf Basis von Infrarot-Strahlung. Darüber hinaus arbeiten wir mit leitfähigen Klebstoffen und alternativen Lotlegierungen, um bleifrei, schonend und bei äußerst niedrigen Temperaturen auch anspruchsvolle Zelltechnologien langzeitstabil zu verbinden.

Wir charakterisieren die Fügestellen mit Abzugstests, mit metallographischen Methoden und Rasterelektronenmikroskopie, um die Verbindungsqualität detailliert zu analysieren. Wir unterstützen Sie gerne mit unserem Technikum beim Prototypenbau und bei der Implementierung neuartiger Verbindungsprozesse in ihrer Modulproduktion.

Bei der Verbindung der temperaturempfindlichen Schichten von Silizium-Heterojunction- und Tandem-Solarzellen stellen sich besondere Anforderungen. Die klassischen Verfahren müssen optimiert und geeignete Materialien verwendet werden, um eine zuverlässige Verbindung und Modulintegration zu gewährleisten.

Wir entwickeln niedertemperaturbasierte Lösungen zur Verbindung von Silicium-Heterojunction- oder Tandemsolarzellen mit leitfähigem Kleben, der Smart-Wire-Drahtverbindung und mit Lötverfahren auf Basis von Niedertemperaturloten. Dabei stehen geringe Kosten, mechanische Stabilität und elektrischer Performance im Fokus unserer Forschung. 

Bleifreie Verbindungstechniken für die Photovoltaik kombinieren eine schonende Prozessführung mit einer RoHS-konformen Modulintegration. Die Verwendung von bleifreien Niedertemperaturlotlegierungen oder leitfähigen Klebstoffen erlaubt deutlich niedrigere Temperaturen als sie für die Verschaltung mit SnPb-haltigen Loten üblich sind. Dadurch wird eine schadensfreie Modulintegration von temperatursensitiven Hocheffizienz-Solarzellen (z.B. Heterojunction, TOPCon, Tandem) ermöglicht.

Für die Entwicklung neuer Anwendungen (z.B. für die fahrzeugintegrierte Photovoltaik) spielen RoHS-konforme Lösungen eine große Rolle. Mit der geplanten Einführung der Öko-Design-Richtline der EU für Photovoltaik-Module gibt es einen weiteren Anreiz für die PV-Industrie, eine Reduzierung des Bleianteils anzustreben. Aktuell enthält zum Beispiel ein Modul mit M6-formatigen Halbzellen (9 Busbar, Flachverbinder) noch 8 bis 10 Gramm Blei pro Quadratmeter.

Das Fraunhofer ISE unterstützt seine Partner beim Übergang zur bleifreien Verbindungstechnologie durch die bereits aufgebaute Expertise und die moderne Verschaltungs- und Charakterisierungstechnik.

Im Module-TEC stehen zwei Technologien für die bleifreie Zellverschaltung im industriellen Maßstab zur Verfügung

• Elektrisch leitfähige Klebstoffe (Flachdraht, Schindeln)
• Niedertemperatur-Löten (Flachdraht oder Runddraht mit bleifreien Loten oder SmartWire Connection Technology SWCT™)