Inhalt:

1. Warum Solarzellen schneiden?
2. Die Prinzipien des Schneidens
3. Vorteile von 1/3-geschnittenen Modulen gegenüber Halb-Schnitt-Modulen
4. Warum stellen Hersteller keine 1/4- oder 1/5-geschnittenen Solarzellen her?
5. Fazit

Warum Solarzellen schneiden?

In den letzten Jahren hat sich die Photovoltaik (PV)-Technologie rasant weiterentwickelt und verbreitet. Die Nachfrage nach Hochleistungssolarmodulen steigt, und die Reduzierung von Energieverlusten bei gleichzeitiger Steigerung der Leistung dieser Module ist zu einem Fokus für Hersteller weltweit geworden. Das Schneiden von Solarzellen ist eine Technik, die verwendet wird, um die Effizienz der Module zu verbessern, indem die Zellen verkleinert werden, was den Widerstand verringert und die Leistung erhöht.

Warum wurde das Schneiden von Solarzellen erst kürzlich zu einem populären Thema in der Branche? Ein Grund ist die Vergrößerung der Siliziumwafer von 156mm (M1) auf 161,7mm (M4). Diese Vergrößerung hat die Waferfläche und den Strom um etwa 7% erhöht, aber auch die elektrischen Verluste um 15% gesteigert. Dies veranlasste die Branche, Wege zu finden, um strombezogene Verluste zu reduzieren. Zusätzlich kann das Schneiden von Zellen die Verschattungsverluste durch die Metallelektroden der Zelle verringern und die Anzahl der Busbars erhöhen, was den Stromfluss verbessert.

Zudem ermöglichen Fortschritte in den Wafer- und Zellherstellungsprozessen nun das Screening von Vollzellen, ohne die geschnittenen Zellen nach dem Teilen neu vermessen zu müssen. Dies rationalisiert den Produktionsprozess und macht ihn effizienter und kostengünstiger.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Schneiden von Solarzellen in kleinere Stücke dazu beiträgt, Solarmodule leistungsstärker und effizienter zu machen, um der wachsenden Nachfrage nach Hochleistungssolarenergielösungen gerecht zu werden.

Prinzipien des Schneidens von Solarzellen

1. Schneidprozess

• Siliziumblock quadratisch machen: Verarbeitung des Siliziumblocks zu einem Block, der den erforderlichen Spezifikationen entspricht.
• Schneiden und Schleifen des Siliziumblocks: Entfernen der Enden und Abflachen, Fasen und Abrunden des Siliziumblocks.
• Verkleben des Siliziumblocks: Verkleben des Siliziumblocks auf einer Werkstückplatte zur Vorbereitung auf das Drahtschneiden.
• Schneiden des Siliziumblocks: Verwendung einer Mehrdrahtsäge, um den Siliziumblock in dünne Siliziumwafer zu schneiden.
• Reinigung des Siliziumwafers: Reinigung der Waferoberfläche von Schlamm durch Vorreinigung, Einfügen und Ultraschallreinigung.
• Sortierung und Verpackung der Siliziumwafer: Einstufung der Wafer nach Standards und Verpackung zur Lagerung.

2. Schneidtechniken

LSC – Laser-Scribing und Spaltung
Diese Technik basiert auf der Laserablationstechnologie. Die Halb-Schnitt-Zellentechnologie verwendet typischerweise Laserschneiden, bei dem standardgroße Solarzellen vertikal entlang der Hauptbusbars in zwei gleiche Hälften geschnitten werden. Diese Hälften werden dann durch Schweißen für die Serienverbindung miteinander verbunden. So funktioniert es:
Prozess: Ein Laser erzeugt vollflächige Ritzlinien entlang der Kanten der Halb-Schnitt-Zelle. In einigen Fällen trennt das Ritzen die Zelle nicht vollständig, sondern hinterlässt eine Rille etwa halb so tief wie die Zelle. Die Zelle wird dann mechanisch entlang dieser Ritzlinien gebrochen.
Vorteile: Diese Methode vermeidet die Schaffung von Kurzschlusswegen im p-n-Übergang, indem das Ritzen von der Rückseite der Zelle durchgeführt wird. Bei Passivated Emitter and Rear Contact (PERC)-Zellen mit einer vollständigen Rückmetallschicht führt das Erstellen einer kleinen Öffnung auf der Rückseite zu keinem Leistungsverlust.
Innovationen: Fraunhofer CSP hat eine weiterentwickelte Version der LSC-Technik entwickelt und patentiert. Dies beinhaltet die Anwendung von Laserritzen auf leicht gebogene Solarzellen, wodurch ein einstufiger Prozess erreicht wird, bei dem Ritzen und Brechen in derselben Station erfolgen.

TMC - Thermomechanisches Spalten

Im Gegensatz zu LSC werden bei TMC keine Ablationstechniken verwendet, die Mikrorisse verursachen können. Stattdessen wird ein hochkonzentrierter thermischer Gradient entlang der Kante der halbgeschnittenen Zelle angelegt, der eine lokale mechanische Spannung erzeugt, die zur Rissbildung führt.
Prozess: Durch Anlegen eines thermischen Gradienten erfährt das Material lokalen mechanischen Stress, der zum Riss führt, ohne das Material abzutragen.
Vorteile: TMC-Prozesse beinhalten keine Abtragung und reduzieren die thermischen Nebeneffekte insgesamt, was die strukturellen Schäden an den Wafern bei optimierten Prozessparametern minimiert.
Innovation: Einige Geräte für TMC-Halb-Schnitt-Zellen sind bereits kommerziell verfügbar oder in Entwicklung. Bemerkenswerte Hersteller sind 3D-Micromac AG und Innolas Solutions GmbH aus Deutschland.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass das Schneiden von Solarzellen eine Reihe präziser Schritte umfasst, um optimale Leistung und Effizienz zu gewährleisten. Sowohl LSC- als auch TMC-Techniken bieten unterschiedliche Vorteile und können je nach spezifischen Anforderungen und Fertigungskapazitäten gewählt werden.

Vorteile von 1/3-geschnittenen Zellen im Vergleich zu Halb-Schnitt-Zellen

1. Verringerte Widerstandsverluste und erhöhte Ausgangsleistung

Eine Quelle von Leistungsverlusten in Solarmodulen sind Widerstandsverluste, die während der Stromübertragung auftreten. Solarzellen verwenden Busbars, um mit angrenzenden Drähten und Zellen verbunden zu werden, und der durch diese Busbars fließende Strom verursacht einige Energieverluste. Durch das Schneiden von Solarzellen in Hälften wird der von jeder Zelle erzeugte Strom halbiert, was zu geringeren Widerstandsverlusten führt, da der Strom durch die Zellen und Drähte des Solarmoduls fließt.
Unter Verwendung der Formel für elektrische Leistungsverluste P = I^2R wird der Leistungsverlust signifikant reduziert, wenn der Strom auf ein Drittel seines ursprünglichen Wertes reduziert wird. Bei 1/3-geschnittenen Zellen beträgt der Strom nur ein Drittel des ursprünglichen Zellstroms im Vergleich zur Hälfte bei Halb-Schnitt-Zellen. Dies reduziert weiter den Serienwiderstand der Zellen, minimiert Energieverluste und erhöht dadurch die Ausgangsleistung und Effizienz der Solarmodule.

2. Reduzierter Hot-Spot-Effekt

Bei herkömmlichen Solarmodulen mit normaler Zellengröße kann die Abschattung einer Zelle zu einem Hot-Spot-Effekt führen, der eine Leistungsverschlechterung oder sogar eine Beschädigung der Zelle zur Folge hat. Die 1/3-Cut-Zelltechnologie verringert das Risiko von Hot Spots, indem sie die Anzahl der Zellen erhöht und dadurch den Strom in jeder Zelle senkt. Mit einer gleichmäßigeren Wärmeverteilung und geringeren Hot-Spot-Effekten haben 1/3-cut-Module eine längere Lebensdauer und eine höhere langfristige Zuverlässigkeit.

3. Erhöhter Füllfaktor

Der Füllfaktor (FF) ist ein Maß für die Qualität einer Solarzelle. Dies ist die verfügbare Leistung am Maximum-Power-Point (Pm) geteilt durch die Leerlaufspannung (VOC) und den Kurzschlussstrom (ISC):

Der Füllfaktor wird direkt von den Werten des Serienwiderstands, des Parallelwiderstands und der Diodenverluste der Zelle beeinflusst. Eine Erhöhung des Parallelwiderstands (Rsh) und eine Verringerung des Serienwiderstands (Rs) führen zu einem höheren Füllfaktor, was zu einer höheren Effizienz führt und die Ausgangsleistung der Zelle näher an ihr theoretisches Maximum bringt.

Die 1/3-Schnitt-Zellentechnologie verbessert das Strommanagement, erhöht den Füllfaktor des Moduls und schneidet daher unter realen Betriebsbedingungen besser ab.

4. Verbesserte Schattentoleranz

Im Vergleich zu Vollzellen zeigen Halb-Schnitt-Zellen eine größere Widerstandsfähigkeit gegen Schatteneffekte. Dies liegt nicht an den Zellen selbst, sondern an der Verkabelungsmethode, die zum Verbinden der Halb-Schnitt-Zellen im Modul verwendet wird. In traditionellen Solarmodulen, die mit Vollzellen konstruiert sind, sind die Zellen in Serie geschaltet, wobei die Beschattung einer Zelle in einer Reihe den gesamten Reihenabschnitt daran hindern kann, Strom zu erzeugen. Ein Standardmodul hat typischerweise 3 Reihen unabhängig verbundener Zellen, sodass die Beschattung einer Zelle in einer Reihe die Hälfte der Leistung dieses Moduls eliminiert.
Ähnlich sind auch Halb-Schnitt-Zellen in Serie geschaltet, aber Module mit Halb-Schnitt-Zellen haben doppelt so viele Zellen (120 statt 60), was zu doppelt so vielen unabhängigen Zellreihen führt. Diese Verkabelungskonfiguration reduziert Leistungsverluste in Modulen, die mit Halb-Schnitt-Zellen gebaut sind, wenn eine einzelne Zelle beschattet wird, da die Beschattung einer Zelle nur ein Sechstel der gesamten Modulleistung eliminiert.

In der Verlängerung zeigen 1/3-geschnittene Zellen eine noch geringere Empfindlichkeit gegenüber lokaler Verschattung im Vergleich zu Halb-Schnitt-Zellen. Selbst wenn einige Zellsegmente beschattet sind, bleibt die Gesamtleistung weitgehend unberührt, was eine höhere Gesamteffizienz bei der Stromerzeugung gewährleistet.

5. Verbesserte Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt

Die verbesserte Leistung und Effizienz von 1/3-geschnittenen Modulen macht sie auf dem Markt wettbewerbsfähiger und ermöglicht es, die Anforderungen von High-End-Märkten und Spezialanwendungen zu erfüllen. Durch diese Verbesserung werden die Kosten gesenkt, was zu einem höheren wirtschaftlichen Nutzen führt.

Durch die höhere Leistungsabgabe pro Modul werden weniger Module benötigt, um die benötigte Elektrizität sowohl für Freiflächen- als auch für Aufdach-Solaranlagen zu erzeugen. Diese Verringerung der Modulmenge trägt dazu bei, den Platzbedarf für die Installation zu minimieren. Bei großen Solarparks trägt der geringere Platzbedarf dazu bei, dass weniger Land für die Errichtung von Photovoltaikanlagen benötigt wird. Dies wiederum senkt die Investitionskosten für Solarentwickler, da Grundstücke eine erhebliche Anfangsinvestition für den Bau von großen Solarkraftwerken darstellen.

Warum stellen Hersteller keine 1/4- oder 1/5-geschnittenen Solarzellen her?

Obwohl 1/4- und 1/5-geschnittene Module eine etwas höhere Leistung pro Modul bieten könnten, beinhaltet die Optimierung einer Energielösung die Berücksichtigung zusätzlicher Fertigungskomplexitäten.

Insbesondere erfordert die Integration von mehr Zellenschnitten zusätzliche Bypass-Dioden zum Schutz der Schaltung innerhalb des Moduls. Dies erhöht den Einsatz von Rohstoffen, was zu zusätzlichen Kosten und verlängerten Produktionszeiten führt. Für Wohnsolarlösungen, die sowohl auf Kostenreduktion als auch auf Effizienz ausgerichtet sind, ist es vorteilhaft, die Module schlank und einfach zu halten. 1/3-geschnittene Solarzellen, die nur drei Bypass-Dioden erfordern, stellen einen Kompromiss zwischen Erschwinglichkeit und verbesserter Leistung für Endbenutzer dar. Dieses Design minimiert auch Risiken im Zusammenhang mit zukünftigen Upgrades und maximiert gleichzeitig die aktuellen Effizienzfähigkeiten.

Fazit

1/3-geschnittene Solarzellen verbessern im Vergleich zu Halb-Schnitt-Zellen die Gesamtleistung und Effizienz von Solarmodulmodulen erheblich, indem sie den Strom und den Widerstand weiter reduzieren, Leistungsverluste minimieren, die Wärmeverteilung optimieren und die Zuverlässigkeit der Komponenten verbessern. Diese Vorteile machen die 1/3-Schnitt-Technologie für hochentwickelte Anwendungen und spezifische Szenarien attraktiver. Trotz des komplexeren Herstellungsprozesses überwiegen die Leistungsverbesserungen und wirtschaftlichen Vorteile oft die zusätzlichen Kosten.

Maysun Solar hat sich seit 2008 auf die Produktion hochwertiger Photovoltaikmodule spezialisiert. Neben der Balkon-Solarkraftwerk bietet Maysun Solar eine breite Palette an Vollschwarz-, Schwarzem Rahmen-, Silber- und Glas-Glas-Solarmodulen, die Halb-Schnitt-, MBB-, IBC- und HJT-Technologien nutzen. Diese Module bieten hervorragende Leistung und stilvolles Design, das nahtlos in jedes Gebäude integriert werden kann. Maysun Solar hat erfolgreich Büros, Lager und langfristige Beziehungen mit hervorragenden Installateuren in zahlreichen Ländern etabliert! Bitte kontaktieren Sie uns für die neuesten Modulangebote oder PV-bezogene Anfragen. Wir freuen uns darauf, Ihnen zu helfen.

Referenzen:

Sharma, N. (2024, März 15). Halbgeschnittene Solarzellen - sind sie den Hype wert? Ornate Solar. https://ornatesolar.com/blog/why-should-you-choose-half-cut-cell-modules-for-your-solar-projects

Trina Solar. (2022, Oktober 31). Was hat es mit dem großen Hype um 1⁄3-geschnittene Solarzellen auf sich? https://www.trinasolar.com/us/resources/blog/third-cut-solar-cells

Wikipedia-Mitarbeiter. (2024, April 21). Wirkungsgrad von Solarzellen. Wikipedia. https://en.wikipedia.org/wiki/Solar-cell_efficiency

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