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© Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP

Fertigung und Charakterisierung von Leichtbau - Solarmodulen mit kristallinen Silizium - Solarzellen

Stefan-H. Schulze, Christian Ehrich, Samadin El-Khodary, Mathias Fromm, Felix Kaule, Sascha Dietrich


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Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSPStruktur

Zuverlässigkeit und Technologien für die Netzparität

Prof. Jörg Bagdahn

Labor für Kristallisationstechnologien

Prof. Dr. Peter Dold

Solarmodul-zuverlässigkeitDr. Matthias Ebert

Diagnostik von Solarzellen

Dr. Christian Hagendorf

Solarmodul-technologie

Prof. Jens Schneider

SiliziumwaferProf. Stephan Schönfelder

KristallisationDr. Roland Kunert

SiliziumrecyclingProf. Dr. Peter Dold


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Leichtbau-Photovoltaik und SondermoduleForschungsgebiete am CSP� Erforschung von Leichtbau-Anwendungen

für die Photovoltaik

� Entwicklung von Leichtbau-Solarmodulen

� Erforschung und Entwicklung von Sondermodulen

� gebäudeintegrierte Solarmodule (BIPV)

� Module für E-Mobility Anwendungen

� Prototypenentwurf und -bau

� Entwicklung und Umsetzung geeigneter Verarbeitungstechnologien und –prozesse

� Entwicklungsansatz: form follows function

Gewölbte Solarmodule mit kristallinen Solarzellen

Bikeport-Prototyp (1,1 kWp) mit gewölbten Leichtbau-Solarmodulen, kristallinen Zellen

Dachintegrierte Leichtbau-Solarmodule*

* patent pending

Konzept Si-PV-Dachintegration in einen PKW


4

Leichtbau in der PhotovoltaikStand der Technik

Solarmodul mit PMMA-Fronseite [Evonik]

Solarzelle auf Kunststoffprofil[Mage Sunovation]

Flexibles Dünnschicht PV-Modul

Folie/Folie PV-Modul


5

Leichtbau in der PhotovoltaikStand der Technik

Solar Impulse


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Leichtbauklassische Inhalte

Leichtbau-Konzepte [www.leichtbau.de]

Leichtbau bedeutet die Realisierung einer Gewichtsminderung bei hinreichender Steifigkeit, dynamischer Stabilität und Festigkeit. [Fraunhofer Allianz Leichtbau]

Konstruktionstechnik, die unter integrativer Nutzung aller konstruktiven, werkstoff- und fertigungstechnischen Mittel bei einer Gesamtstruktur und bei deren Elementen die Masse reduziert und die Gebrauchsgüte erhöht. [ILU, TU Dortmund]


7

� CO2-Emissionen können durch „eco-innovations“ reduziert werden, aber max. 7 g CO2/km

� Designaspekte haben oberste Priorität

� 3D-Freiformen und Leichtbau-Konzepte für PV-Module benötigt

� Standardprodukte müssen entwickelt werden (Nutzung von Skaleneffekten), max. 20 kg

� hohe mechanische Anforderungen/Zuverlässigkeit

Leichtbau-PV am Beispiel der E-MobilityAutomobilanwendungen

Quelle 1: Studie „Solar in Motion“ (2013)

Ford C-Max mit Modulen aus Rückseitenkontakt PV-Zellen

für 100 Wp PV-Modul

Quelle 2: EU-Richtlinie 443/2009 (überarbeitet 2014)


8

Leichtbau-Photovoltaik am Beispiel der E-MobilityGrundlegender Aufbau Auto-PV Modul

Frontabdeckung (Glas oder Polymer)

Solarzellen (Rückkontakt)

Verkapselung (schubweiches Polymer)

Verkapselung (schubweiches Polymer)

Träger

� Entwicklung ganzheitlicher Konzepte vom Material, über die Auslegung bis hin zumHerstellungsprozess von Solarmodulen in Standard- und Sonderanwendungen


9

Photovoltaik Technologien – grobe Übersicht

� Silizium-Solarzellen

� Unterscheidung in

� Multikristalline PV

� Monokristalline PV

� Wirkungsgrad max. ca. 22,5%*

Silizium-PVSilizium-PV Dünnschicht-PVDünnschicht-PV Organische-PVOrganische-PV

� Abscheidung der photoaktiven Schichten auf

� Flexiblen Substraten

� Starren Substraten (Glas)

� Wirkungsgrad max. 17%*

* industrielle Fertigung

� Abscheidung der photoaktiven Schichten auf

� Flexiblen Substraten

� Starren Substraten (Glas)

� Wirkungsgrad max. 6-7%*


10

Photovoltaik Technologien - Vor- und Nachteile aus Anwendersicht

� sprödes Material

� Ö

� Ööööööööööööööööööö

� hoher Wirkungsgrad, alterungsstabil

� etablierte Technologie

Silizium-PVSilizium-PV Dünnschicht-PVDünnschicht-PV Organische-PVOrganische-PV

� mittlerer Wirkungsgrad

� nicht Alterungsstabil

� aufwändige Verkapselung

� flexible Zellen möglich

� Semitransparenz möglich

� niedriger Wirkungsgrad

� nicht Alterungsstabil

� noch Aufwändigere Verkapselung

� flexible Zellen möglich

� Semitransparenz möglich

Na

chte

ileV

orte

ile


11

Photovoltaik Kristalline Silizium-Photovoltaik

Front/Rückkontakt Zellen

Front/Rückkontakt Zellen

Rückseiten kontaktierte Zellen

Rückseiten kontaktierte Zellen

� Verschaltung nur über Rückseite

� Homogene Erscheinung auf Frontseite

� Verschaltung über Front/Rückseite

� Inhomogenes Erscheinungsbild auf Frontseite

156 mm

156 m

m

125 mm

125 m

m


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Gewölbte Leichtbau-SolarmoduleBewertung des Bruchverhaltens gewölbter Solarzellen

Rissausbreitungswahrscheinlichkeit von monokristallinen Standard- und Rückseitenkontaktierten Solarzellen in

Abhängigkeit vom Biegeradius und der Zellorientierung

4-Punkt Biegeversuch an einer Rückseitenkontakt-Silizium-Solarzelle

� Uniaxiale Biegung ist für Solarzellen ohne Probleme möglich. IBC-Zellen bieten eine zusätzliche Sicherheit durch den sie tragenden Rückkontakt bei Bruch des Si.


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Gewölbte Leichtbau-SolarmoduleMaterialien und Methoden

� GFK-Träger mit 800 mm Biegeradius

� TPO Verkapselungsmaterial

� 250 µm ETFE Frontseite

� 3 Prüfkörpertypen mit je 3 Solarzellen (als String)

� IBC-Zellen

� Standard-multikristalline Solarzellen

� Standard-monokristalline Solarzellen

� Herstellung im Vakuumsackverfahren und Vakuumlamination

� anschließend Thermoschocktest -40°C….85°C

� EL

� LeistungsmessungCFK-Träger mit Rückseitenkontakt-

Zellen, 800 mm Biegeradius


14

Gewölbte Leichtbau-SolarmoduleBestimmung der Verarbeitungsbedingungen

Verlauf des Speicher- und Verlustmoduls eines TPO-Verkapselungsmaterials als Funktion der Temperatur

dynamische Belastung unter Scherbeanspruchung

Schema des Platte-Platte Aufbaus im Rheometer

0 20 40 60 80 100 120 140 160103

104

105

106

107

G'

G''

Enlight 4 T-Sweep 0 °C - 160 °C (2nd heating run) = 7000 Pa

G'/G

'' [P

a]

T [°C]

0

1

2

3

4

tan

tan

TGel= 93,6 °C


15

CFK-Träger mit Rückseitenkontakt-Zellen, 800 mm Biegeradius

Gewölbte Leichtbau-SolarmoduleFertigung im Vakuumlaminationsverfahren

Schematischer Ablauf eines Vakuumlaminationsprozesses

Werkzeug für gewölbte Solarmodulträger, 800 mm Biegeradius


16

1

2

3

4

Handfertigung eines gekrümmten Solarmoduls mit 2200 mm Biegeradius und multikristallinen Zellen

Gewölbte Leichtbau-SolarmoduleFertigung im Vakuumlaminationsverfahren


17

Gewölbte Leichtbau-SolarmoduleVakuumsackprozess

Schema des Temperatur-Druck Verlaufs während des Vakuumsackprozesses

Schematischer Aufbau des Vakuumsackprozesses


18

Gewölbte Leichtbau-SolarmoduleFertigung im Vakuumsackverfahren

Soll-Temperatur-Druck Verlauf während des Vakuumsackprozesses

GFK-Träger während des Vakuumsack-Prozesses zur Solarzelllamination

0

200

400

600

800

0

40

80

120

160

0 20 40 60 80 100

Dru

ck [m

bar]

Tem

pera

tur

[°C]

Zeit [min]

Soll-Temperatur Druck


19

-60

-40

-20

0

20

40

60

80

100

0 5 10 15 20

Tem

pera

tur

[°C]

Zeit [min]

Kammertemperatur Modultemperatur

Zeit-Temperatur-Verlauf eines Thermoschock (TS)-Versuchs an GFK-Träger PV-Modulen

Gewölbte Leichtbau-SolarmoduleThermoschocktest

Gewölbte GFK-Prüfkörper (800 mm Biegeradius) in der Thermoschockkammer


20

Vergleich Vakuumlamination und Vakuumsackverfahren

10,80

11,00

11,20

11,40

11,60

11,80

12,00

1 2 3 4 5P

mpp

[W]

Messung Nr.

10,80

11,00

11,20

11,40

11,60

11,80

12,00

1 2 3 4 5

Pm

pp[W

]

Messung Nr.

EL und Leistungsmessung an gewölbten Prüfkörpern (800 mm Radius) mit Multi-Si-Zellen


vorLamination

Nach Lamination

10 ZyklenTS*

100 ZyklenTS*

200 ZyklenTS*

vorLamination

Nach Lamination

10 ZyklenTS*

100 ZyklenTS*

200 ZyklenTS*

*TS: „Thermoschock“; IBC: „Rückseitenkontakt-Solarzellen“

Va

ku

um

sack

Va

ku

um

lam

ina

tio

n


21

Vergleich Vakuumlamination und Vakuumsackverfahren

10,80

11,00

11,20

11,40

11,60

11,80

12,00

1 2 3 4 5P

mpp

[W]

Messung Nr.

10,80

11,00

11,20

11,40

11,60

11,80

12,00

1 2 3 4 5

Pm

pp[W

]

Messung Nr.



vorLamination

Nach Lamination

10 ZyklenTS*

100 ZyklenTS*

200 ZyklenTS*

vorLamination

Nach Lamination

10 ZyklenTS*

100 ZyklenTS*

200 ZyklenTS*


Va

ku

um

sack

Va

ku

um

lam

ina

tio

n


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EL und Leistungsmessung an gewölbten Prüfkörpern (800 mm Radius) mit Mono-Si-Zellen

EL und Leistungsmessung an gewölbten Prüfkörpern (800 mm Radius) mit Mono-Si-Zellen

11,60

11,80

12,00

12,20

12,40

12,60

1 2 3 4 5

Pm

pp [W

]

Messung Nr.

11,60

11,80

12,00

12,20

12,40

12,60

1 2 3 4 5P

mpp

[W]

Messung Nr.

Vergleich Vakuumlamination und Vakuumsackverfahrenvor

LaminationNach

Lamination10 Zyklen

TS*100 Zyklen

TS*200 Zyklen

TS*vor

LaminationNach

Lamination10 Zyklen

TS*100 Zyklen

TS*200 Zyklen

TS*


Va

ku

um

sack

Va

ku

um

lam

ina

tio

n


23

8,80

8,90

9,00

9,10

9,20

9,30

9,40

9,50

9,60

1 2 3 4 5

Pm

pp [W

]

Messung Nr.

EL und Leistungsmessung an gewölbten Prüfkörpern (800 mm Radius) mit IBC-Zellen

EL und Leistungsmessung an gewölbten Prüfkörpern (800 mm Radius) mit IBC-Zellen

8,80

8,90

9,00

9,10

9,20

9,30

9,40

9,50

9,60

1 2 3 4 5P

mpp

[W]

Messung Nr.

Vergleich Vakuumlamination und Vakuumsackverfahrenvor

LaminationNach

Lamination10 Zyklen

TS*100 Zyklen

TS*200 Zyklen

TS*vor

LaminationNach

Lamination10 Zyklen

TS*100 Zyklen

TS*200 Zyklen

TS*


Va

ku

um

sack

Va

ku

um

lam

ina

tio

n


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GFK-Trägerstrukturen für SolarmoduleMaterialien – GFK-Träger

GFK-Solarmodulträger mit Verrippungsstruktur(links – 160x160 mm2 , rechts – 80x80 mm2 Feldgröße)

� Wirrfaserverstärkte Epoxid-harze � Platten als Rückseite und für Verrippung

� Variation der Plattendicke

� 1,7/3,6/3,8 mm

� Front: TVG Glas, 2 mm

� Modulgröße 700x900 mm2

� Variierung der Feldgrößen

� 160x160 mm2

� 80x80 mm2

� Referenzmodul

� Al-Rahmung

� TPT-Backsheet


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Flächenlasttest an einem verrippten Solarmodul bei 8 kN/m2 Flächenlast (Durchbiegung 40 mm)

Schadensbilder nach Flächenlasttest bei Modulen mit Rückseitenverrippung

GFK-Trägerstrukturen für SolarmoduleMethoden - Flächenlasttest� Auflagerabstand: 740 mm

� Beendigung des Versuches bei

� Versagen der Stege

� Bruch des Glases

� zu hoher Sandsackstapel


26

GFK-Trägerstrukturen für SolarmoduleLast-Durchbiegungsverhalten im Flächenlasttest

0 1 2 3 4 5 6 7 8 90

10

20

30

40

50

60

d=3,8 mm

d=3,6 mm

Dur

chbi

egun

g M

itte

[mm

]

Flächenlast [kN/m2]

Modul 1 Modul 2 Modul 3 Modul 4 Modul 5 Modul 6 Referenz

d=1,7 mm

d – Stegdicke

Rastermaß:

160x160mm2

80x80mm2


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Beispielanwendung für gewölbte Leichtbau-SolarmoduleLeichtbau E-Bikeport

Gewölbter GFK-Leichtbauträger mit Versteifungsrippen (2200 mm Biegeradius)

CAD-Entwürfe des E-Bikeports mit gewölbten Leichtbau-Solarmodulen


28

Beispielanwendung für gewölbte Leichtbau-SolarmoduleLeichtbau E-Bikeport

Bikeport mit gewölbten Leichtbau-Solarmodulen zur „Langen Nacht der Wissenschaften“ in Halle (Saale)


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Leichtbausolarmodule – Zeit für neue KenngrößenBsp: „Leistungsgewicht“

Leistungsgewicht = Masse / Leistung

Red Bull Racing RB8 Renault (2012) – 0,89 kg/PS

Simson S51 (bis 1981) – 21 kg/PS


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Leichtbausolarmodule – Zeit für neue KenngrößenBsp: „Leistungsgewicht“

� Durchschnittliches Modul-gewicht des Demo-Bikeports: ca. 3,8 kg

� Maximalleistung PV-System für 12 Module: 1,1 kWp

� „Leistungsgewicht“ (bei noch nicht optimaler Flächennutzung): ca. 0,041 kg/Wp

� Standardmodul Sunpower(19 kg, 335 Wp): 0,057 kg/Wp

� Standardmodul Hanwha Q Cells(19 kg, 280 Wp): 0,067 kg/Wp

Leistungsgewicht = Masse / Leistung

Red Bull Racing RB8 Renault (2012) – 0,89 kg/PS

Simson S51 (bis 1981) – 21 kg/PS


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Zusammenfassung

� Absehbarer Bedarf von Leichtbau-Konstruktionen mit integrierter PV

� „form follows function“ als Grundprinzip (Unterordnung der PV)

� Bei limitierter Fläche ist hoher Wirkungsgrad der Zellen wichtig (Auto-PV)

� IBC Solarzellen sind aus mechanischer Hinsicht geeignet für gewölbte Module (Zuverlässigkeit)

� GFK-Trägerstrukturen ermöglichen hohe Modulsteifigkeiten

� Einführung neuer Kenngrößen (je nach Anwendung) für die PV ermöglicht neue Sichtweisen hinsichtlich der Konstruktion


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Danksagung an die Fördergeber


33

Vielen Dank für Ihre

Aufmerksamkeit!

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