Herausforderungen und Möglichkeiten bei der Herstellung von Solarmodulen
Veröffentlicht von Laserax,
Die Solarenergie boomt, und die Herstellung von Solarmodulen steht im Mittelpunkt dieser Revolution.
Da die Nachfrage nach sauberer Energie weltweit steigt, stehen die Hersteller unter zunehmendem Druck, die Solarmodule effizienter, langlebiger und kostengünstiger zu machen. Doch dieses Gleichgewicht zu erreichen, ist leichter gesagt als getan.
In diesem Artikel erfahren Sie, wie Solarmodule hergestellt werden und was die größten Herausforderungen in der Lieferkette der Solarenergie sind.
Wir betrachten zudem aktuelle Verbesserungen und Möglichkeiten zur Überwindung dieser Herausforderungen, einschließlich der Lasertechnologie.
In unserem vorherigen Artikel über die Herstellung von Solarzellen haben wir erläutert, dass die Hauptkomponente von Solarmodulen entweder aus kristallinem Silizium (monokristallin oder Polysilizium), amorphem Silizium oder Cadmiumtellurid für Dünnschicht-Solarmodule hergestellt wird.
Hier betrachten wir den Herstellungsprozess von Solarzellen als abgeschlossen und gehen direkt zur Produktion von Solarmodulen über:
Von der Zelle zum PV-Modul
Zunächst werden die Solarzellen in einer Produktionsstätte für Solarmodule miteinander verbunden. Dabei sorgt eine Stringing-Maschine für dünne Metallstreifen für die korrekte Ausrichtung der Zellen und verlötet sie zu PV-Modulen (auch Solarmodule genannt).
Je nach benötigter Stromstärke und Spannung können diese Module unterschiedliche Konfigurationen und eine variable Anzahl von miteinander verbundenen Zellen haben.
Die Anzahl der Busbars (stromführende Metallstreifen) auf den Zellen kann ebenfalls variieren, um unterschiedliche Anforderungen an Effizienz und Verschleißfestigkeit zu erfüllen.
Anschließend werden die Solarzellen mit einer Folie aus Ethylen-Vinylacetat (EVA) umhüllt, um sie vor Umwelteinflüssen zu schützen und die Stabilität zu gewährleisten.
Nach dieser Verkapselung wird das Solarmodul mit einer Abdeckung aus gehärtetem Glas und einer Rückwand versehen, um die Zellen und die Verkabelung zu umschließen und das Eindringen von Wasser oder unerwünschten Stoffen zu verhindern.
Vom PV-Modul zum Solarmodul
Nachdem die Module zusammengebaut und gründlich auf optimale Effizienz getestet wurden, werden sie von den Solarmodulherstellern mit einem Aluminiumrahmen und einem starken Silikonkleber versehen, um die Kanten abzudichten und zu schützen.
Auf der Rückseite des Moduls wird anschließend eine Anschlussdose installiert, in der die Leitungsbänder mit den Bypass-Dioden verbunden werden.
Bypass-Dioden sorgen dafür, dass der erzeugte Solarstrom effizient in eine Richtung fließt. Dioden wirken wie Einwege-Stromventile und verhindern Rückflüsse, die zu Energieverlusten, Geräteschäden und Sicherheitsrisiken führen können.
In Solarmodulen werden Dioden auch verwendet, um schlecht funktionierende oder (z. B. durch Wolken oder Schmutz) beschattete Zellen zu überbrücken, die einen Widerstand im Strompfad erzeugen und den sogenannten „Hot-Spot-Effekt“ verursachen können.
Diese Hot Spots werden durch den elektrischen Strom verursacht, der von den funktionierenden Zellen kommt. Anstatt Strom zu erzeugen, leiten beschattete Zellen die Energie der nicht beschatteten Zellen in Form von Wärme ab, wodurch einige Bereiche auf dem Solarmodul heißer als normal sind.
Wenn der Strom nicht um die beschatteten Zellen herumgeleitet wird, können Hot Spots die Effizienz der Module verringern und sogar zu dauerhaften Schäden führen. Aus diesem Grund funktionieren Solarmodule nicht ohne Bypass-Dioden.
Letztendlich wird die erzeugte Solarenergie über die Kabel der Anschlussdose zu einem Wechselrichter geleitet, wo der erzeugte Gleichstrom (DC) in Wechselstrom (AC) umgewandelt wird, bevor er in das externe Stromnetz eingespeist wird.
Herausforderungen bei der Herstellung von Solarmodulen
Effizienz vs. Kosten
Obwohl die Produktionskosten in der Solar- und Photovoltaikindustrie in den letzten zehn Jahren bereits um 90 % gesunken sind, sind Effizienzsteigerungen nach wie vor entscheidend, um weitere Kostensenkungen und die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt für saubere Energie zu gewährleisten.
Die Herstellung von Solarmodulen mit höherer Effizienz ist teurer. Deshalb müssen sich die Hersteller von Solarmodulen auf den Bedarf an erschwinglicher Solarenergie einstellen – trotz der Kosten für hochleistungsfähige Rohstoffe wie Perowskit und Silizium, die zur Herstellung von Mehrfachsolarzellen verwendet werden.
Diese innovativen PV-Komponenten haben eine Effizienzsteigerung von bis zu 25 % pro Quadratmeter gezeigt und lassen sich relativ gut in bestehende Produktionslinien integrieren.
Weitere Forschungen laufen, um die Produktionskosten für diese verbesserten Solartechnologien zu senken.
Langlebigkeit und Witterungsbeständigkeit
Im Laufe der Zeit beeinträchtigt die Verschlechterung wichtiger Materialien und Komponenten die Leistung. Solarmodule müssen auch rauen Umgebungen standhalten – von brennend heißen Wüsten bis hin zu eisigen Wintern.
Diese Gründe haben die Solarunternehmen dazu veranlasst, haltbarere und widerstandsfähigere Designs, wie z. B. Mehrfachzellen, zu entwickeln, die kristallines Silizium und Perowskit kombinieren.
Diese Hybridtechnologie ist nicht nur wirtschaftlich, sondern liefert auch höhere Energieerträge und macht ein Solarmodul in den ersten 10 bis 15 Jahren seiner 30- bis 40-jährigen Lebensdauer effizienter.
Außerdem werden selbstreinigende Nanobeschichtungen entwickelt, die selbst in den staubanfälligsten Bereichen eine optimale Effizienz gewährleisten, wie in diesem Video zu sehen ist:
Engpässe in der Fertigung
Die Lieferkette der Solar- und Photovoltaikindustrie ist komplex. Mehrere Faktoren, darunter internationale Handelsbeschränkungen und Zölle, technische Herausforderungen und Engpässe bei wichtigen Materialien (z.B. Polysilizium und Silber), führen häufig zu Verzögerungen bei den Solarunternehmen.
Da wichtige Komponenten der Lieferkette in der Solar- und Photovoltaikindustrie in konzentrierten Gebieten der Welt (z. B. China) hergestellt werden, ist der internationale Handel entscheidend für die Serienfertigung von Solarmodulen.
Die Internationale Energieagentur berichtete jedoch, dass sich die Zahl der Einfuhrzölle und Steuern im letzten Jahrzehnt verzehnfacht hat. Eine solche Ausweitung der Handelsbeschränkungen birgt das Risiko, die weltweite Einführung der Solartechnologie und anderer erneuerbarer Energien zu verlangsamen.
Auf der technischen Seite erfordern die Schritte, die dem Zusammenbau der Zellen zu Solarmodulen vorausgehen (Schneiden von Siliziumblöcken, Texturierung der Wafer, Dotierung und Beschichtung), extreme Präzision und Genauigkeit für optimale Effizienz und Haltbarkeit.
Die Einhaltung solcher Standards bei steigender Produktionskapazität erfordert innovative Ansätze wie KI und Automatisierung.
Die KI-gestützte Qualitätskontrolle kann die Produktion verbessern, indem sie Fehler bei Herstellung von Solarmodulen frühzeitig erkennt, wie es Vikram Solar in der Anlage in Tamil Nadu gelungen ist.
Die industrielle Automatisierung kann auch die Produktivität und Wiederholbarkeit bei verschiedenen Anwendungen erhöhen, z. B. beim Schweißen, Reinigen, Texturieren und Beschriften.
Laser cleaning of thin-film panels for material recovery and recycling
Schließlich steht die hochkonzentrierte Produktion von kritischen Mineralien, die bei der Herstellung von Solarzellen verwendet werden, einer schnell wachsenden weltweiten Nachfrage gegenüber. Ein Ungleichgewicht zwischen Angebot und Nachfrage kann schließlich zu Engpässen und enormen Kostensteigerungen führen.
Andererseits wird Kupferpaste zunehmend als Ersatz für Silberkontakte in Solarmodulen verwendet, da sie erschwinglich ist, eine ähnliche Leitfähigkeit aufweist und in wesentlich größerer Menge verfügbar ist.
Der 3D-Druck von leitfähigen Komponenten ist ebenfalls ein neuer Trend, der die Abhängigkeit von Silber verringern und gleichzeitig die Kosten senken könnte.
Nachhaltigkeitsfragen
Solarmodule produzieren saubere Energie, aber ihr Herstellungsprozess kann ressourcenintensiv sein. So verursacht der Import von Rohstoffen einen erheblichen CO2-Fußabdruck und die Herstellung von Silizium-Halbleitern erfordert enorme Mengen an Wasser.
Die Verringerung von Abfall, Energie- und Wasserverbrauch ist entscheidend für eine nachhaltige Produktion.
Aus Berichten geht hervor, dass das Recycling von Solarmodulen einen erheblichen Teil des Materialbedarfs der Industrie decken könnte (z. B. Silizium, Silber, Kupfer, Aluminium und Glas).
Die Rückgewinnung von Halbleitermaterialien aus gebrauchten Paneelen kann beispielsweise die Nachhaltigkeit verbessern und den CO2-Fußabdruck der Produktionsstätten verringern.
Die wachsende Besorgnis der Öffentlichkeit über das mögliche Vorhandensein von PFAS in Solarmodulen setzt die Solarbranche neben anderen Aspekten auch unter Druck, nachhaltigere Praktiken anzuwenden.
So wird beispielsweise die Verwendung von umweltfreundlichen Lösungsmitteln oder lösungsmittelfreien Materialbehandlungsverfahren (z. B. Laserreinigung und -texturierung) immer beliebter.
Wie die Lasertechnologie der Solarindustrie zugutekommt
Die automatisierte Lasertechnologie bietet zahlreiche Vorteile: Reduzierung des Abfalls, weniger Materialverbrauch sowie eine Verbesserung der Zykluszeiten und der Wiederholbarkeit.
Die Herstellung von Solarmodulen mit einem oder mehreren Laserverfahren bietet die Möglichkeit:
Hohe und konsistente Präzision zu gewährleisten
Effizienz und Zykluszeiten zu verbessern
Recyclingmöglichkeiten zu verbessern
Den CO2-Fußabdruck zu verringern
Ausschuss und Nacharbeit zu minimieren
Laserax unterstützt die Solarindustrie derzeit in zwei wichtigen Anwendungen:
Laserrandentschichtung: Eine hochpräzise, berührungslose Lösung, um Randbeschichtungen von Dünnschicht-Solarmodulen effizient zu entfernen.
Dünnschichtreinigung für das Recycling: Ein fortschrittliches und umweltfreundliches Reinigungsverfahren, das die Rückgewinnung wertvoller Materialien für Solarmodule extrem erleichtert.
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Dr. Annick Anctil ist außerordentliche Professorin am College of Engineering der Michigan State University, wo sie die Forschung zur vorausschauenden Nachhaltigkeitsbewertung leitet. Sie nutzt die proaktive Nachhaltigkeitsbewertung, um die Umwelt- und Kostenbelastung neuer Technologien zu reduzieren. Ihre Forschung konzentriert sich auf die Bewertung der Umweltbelastung von Photovoltaik- und Batterietechnologien, insbesondere der Auswirkungen des Abbaus und der Wiederverwertung von Materialien für Energieanwendungen.
Laserax manufactures OEM laser systems and turnkey laser machines to easily integrate laser marking, laser cleaning, laser texturing and laser hardening in production lines. Providing laser expertise, its solutions are safe and efficient.
Die Herstellung von Solarzellen hat sich in den letzten Jahren rasant weiterentwickelt. Da der Solarenergie ein außerordentliches Wachstum prognostiziert wird, ist in naher Zukunft mit noch mehr technologischen Innovationen zu rechnen. In diesem Artikel erläutern wir die Schritte des Herstellungsprozesses von Solarzellen. Zudem gehen wir auf die Herausforderungen und Fortschritte bei der Verbesserung der Effizienz und Nachhaltigkeit von Solarzellen ein.
