Inhaltsverzeichnis:

1. Einleitung
2. Was sind Solarmodule?
3. Wie funktionieren Solarmodule?
4. Was sind die Hauptkomponenten von Solarmodulen?
5. Fazit

Einleitung

Mit der weltweit steigenden Energienachfrage und dem wachsenden Bewusstsein für Umweltschutz hat die Solarenergie als saubere und erneuerbare Energiequelle erheblich an Bedeutung gewonnen. Solarmodule sind die Kernkomponenten von Solarsystemen, die Sonnenlicht in Strom umwandeln, um nachhaltige Energie bereitzustellen. Dieser Artikel bietet eine detaillierte Einführung in die wichtigsten Komponenten und Funktionen von Solarmodulen, um den Lesern ein besseres Verständnis ihrer Zusammensetzung und Eigenschaften zu ermöglichen.

Was sind Solarmodule?

Solarmodule sind Geräte, die Sonnenenergie in Strom umwandeln. Sie bestehen aus mehreren Solarzellen, die den photovoltaischen Effekt nutzen, um Sonnenenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Solarmodule gehören zu den wichtigsten Teilen eines Solarkraftwerksystems. Die typische Struktur dieser Module umfasst (von oben nach unten): Glas—EVA-Folie—Solarzellen—EVA-Folie—Rückseitenfolie oder Glas, gesichert mit einem Aluminiumlegierungsrahmen.

Zusätzlich umfassen die Hilfsmaterialien PV-Glas, Verkapselungsfolie, Lötkolben, Rückseitenfolien, Dichtungs-Silikon, AB-Anschlussdosen-Dichtgel, Anschlussdosen und Rahmen.

Wie Solarmodule funktionieren?

Solarmodule sammeln saubere, erneuerbare Energie aus Sonnenlicht und wandeln sie in Strom um, der dann zur Stromversorgung verwendet wird. Solarmodule bestehen aus mehreren einzelnen Solarzellen, die aus Silizium-, Phosphor- (negativ geladen) und Bor- (positiv geladen) Schichten bestehen. Solarmodule absorbieren Photonen (Lichtteilchen) und erzeugen einen elektrischen Strom. Wenn Photonen auf die Oberfläche des Solarmoduls treffen, übertragen sie ihre Energie auf Elektronen, wodurch diese aus ihren Atomorbiten freigesetzt und in das elektrische Feld gezogen werden, das innerhalb der Solarzelle erzeugt wird. Diese freien Elektronen werden dann in einen gerichteten Strom gezogen, der als photovoltaischer Effekt bekannt ist.

Was sind die Hauptkomponenten von Solarmodulen?

1. Solarzellen

Solarzellen sind eine der Kernkomponenten von Solarmodulen, die für die Umwandlung von Sonnenlicht in elektrische Energie verantwortlich sind. Dies erreichen sie durch den photovoltaischen Effekt, bei dem Photonen des Sonnenlichts auf die Oberfläche der Solarzelle treffen, Elektronen anregen und einen elektrischen Strom erzeugen, der den Fluss von Elektronen durch Stromkreise antreibt.
(1) Arten von Solarzellen
Solarzellen werden hauptsächlich nach ihren Materialien und Herstellungsprozessen in drei Typen unterteilt: monokristalline Silizium-Solarzellen, polykristalline Silizium-Solarzellen und Dünnschicht-Solarzellen. Monokristalline Siliziumzellen werden aufgrund ihrer hohen Kristallinität und guten Elektronenbeweglichkeit häufig verwendet. Polykristalline Siliziumzellen hingegen sind aufgrund ihrer geringeren Kosten und vereinfachten Produktionsprozesse bevorzugt. Dünnschicht-Solarzellen verwenden verschiedene Materialien wie amorphes Silizium, Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) und bieten Vorteile wie Leichtigkeit, Flexibilität und Kosteneffizienz, was sie für bestimmte Anwendungen geeignet macht.

(2) Mainstream-Solarzellentechnologien und aktueller Stand

Solarzellen sind die Kernkomponenten der photovoltaischen Stromerzeugung, und ihre technologischen Wege und Prozessstufen wirken sich direkt auf die Effizienz und Lebensdauer von Photovoltaikmodulen aus. Auf der Grundlage von Dotierungselementen und Herstellungsverfahren lassen sich die wichtigsten Solarzellentypen, die derzeit entwickelt und auf dem Markt produziert werden, grob in vier Typen einteilen: PERC, TOPCon, HJT und IBC.

a. PERC

PERC-Zellen (Passivated Emitter and Rear Cell) verwenden eine passivierte Emitter- und Rückseitenzellentechnologie mit einem P-Typ-Siliziumwafer als Substrat für den Emitter der Zelle. Diese Technologie, die 1983 vom australischen Wissenschaftler Martin Green entwickelt wurde, erhöht die Umwandlungseffizienz, indem eine Passivierungsschicht auf der Rückseite der Zelle hinzugefügt wird. Durch die Maximierung des Potentialgradienten über den P-N-Übergang stabilisieren PERC-Zellen den Elektronenfluss, reduzieren die Elektronenrekombination und erreichen höhere Effizienzgrade im Vergleich zu Standardzellstrukturen.
b. IBC
IBC-Zellen (Interdigitated Back Contact) haben keine Metallgitterlinien auf der Vorderseite. Der Emitter und das Rückfeld sind in einem Kreuzgittermuster auf der Rückseite der Zelle integriert, wodurch eine Abschattung durch Metallgitterlinien vermieden wird. In Kombination mit Pyramidenstrukturen und Antireflexbeschichtungen auf Vorder- und Rückseite maximiert dieses einzigartige Design die Lichtnutzung und verbessert die photovoltaische Umwandlungseffizienz von IBC-Solarzellen erheblich.
c. TOPCon
TOPCon-Zellen (Tunnel Oxide Passivated Contact) verwenden eine passivierte Kontaktstruktur, bei der eine ultradünne Schicht aus Siliziumdioxid auf der Rückseite der Zelle hergestellt wird, gefolgt von einer Schicht aus dotiertem Silizium. Zusammen bilden diese eine passivierte Kontaktstruktur, die als TOPCon-Technologie bekannt ist. Die ultradünne Oxidschicht ermöglicht es Minderheitsträgern, in die polykristalline Siliziumschicht zu tunneln, während die Rekombination von Mehrheitsträgern blockiert wird, wodurch der laterale Elektronentransport und die Sammlung durch Metallkontakte verbessert werden. Dies reduziert die Rekombinationsraten erheblich und verbessert dadurch die Umwandlungseffizienz der Zelle.
d. HJT
HJT-Zellen (Heterojunction with Intrinsic Thin-layer) sind auch als Heterojunction-Zellen bekannt. Ursprünglich 1990 von Sanyo Electric (jetzt Panasonic) entwickelt und als HIT markenrechtlich geschützt, verwendeten nachfolgende Unternehmen, die in den Heterojunction-Bereich eintraten, unterschiedliche Bezeichnungen wie HJT, SHJ und HDT, um Patentstreitigkeiten zu vermeiden. Im Gegensatz zu PERC- und TOPCon-Zellen, die die Dotierung desselben Materials (kristallines Silizium) verwenden, nutzen HJT-Zellen die Dotierung von zwei verschiedenen Materialien (kristallines Silizium und amorphes Silizium). Dies bildet einen PN-Übergang zwischen dem Siliziumwafer und der amorphen Siliziumschicht, reduziert die Trägerrekombination am PN-Übergang und verbessert dadurch die Umwandlungseffizienz der Solarzelle.
Diese Technologien stellen bedeutende Fortschritte in der Solarkelleneffizienz dar und sind entscheidend für die fortlaufende Entwicklung von Hochleistungs-Photovoltaikmodulen.

2. Vorderes Verkapselungsmaterial - Solarmodulglas

Solarmodule sind entscheidende Geräte, die Sonnenenergie in Strom umwandeln, und ihre Struktur und Materialauswahl wirken sich direkt auf ihre Effizienz und Lebensdauer aus. In Solarmodulen ist das vordere Verkapselungsmaterial typischerweise Glas, das hauptsächlich zum Schutz der internen Solarzellen dient und gleichzeitig die Gesamtleistung des Moduls verbessert.

Arten von Solarmodulglas

• Ultraklarem Glas: Dieses auch als eisenarmes Glas bekannte Glas hat eine extrem hohe Lichtdurchlässigkeit (bis zu 91 %-93 %) und wird häufig für hocheffiziente Solarmodule verwendet. Ultraklares Glas hat einen sehr geringen Eisengehalt, der die Lichtabsorption verringert und die Lichtdurchlässigkeit verbessert.
• Gehärtetes Glas: Physikalisch oder chemisch gehärtetes Glas, das eine hohe Festigkeit und Schlagbeständigkeit aufweist. Selbst wenn es zerbricht, zerfällt es in kleine körnige Stücke, was die Beschädigung der Solarzellen verringert. Gehärtetes Glas wird häufig in Solarzellen verwendet, die eine hohe mechanische Festigkeit erfordern.
• Halbgehärtetes Glas: Halbvorgespanntes Glas weist Spannungen zwischen normalem Flachglas und voll vorgespanntem Glas auf, die zwischen 24MPa und 52MPa liegen. Trotz der geringeren Schlagzähigkeit weist es eine hohe Ebenheit und keine inneren Spannungen auf, so dass es sich für die Laminierung bei der Herstellung von Solarmodulen eignet und somit den Ertrag und die Qualität verbessert.
• Beschichtetes Glas: Glas mit einer speziellen Dünnfilmbeschichtung auf der Oberfläche, die die Reflexion reduziert, die Lichtdurchlässigkeit erhöht und eine schmutz- und wasserabweisende Funktion hat. Es eignet sich für Solarmodule unter besonderen Umweltbedingungen.

Funktionen und Rollen von Solarmodulglas

Als kritische Komponente, die die Solarzellen bedeckt, erfüllt Solarmodulglas mehrere entscheidende Funktionen, die sich direkt auf die Leistung und Haltbarkeit des gesamten Solarmodulmoduls auswirken:

• Hohe Lichtdurchlässigkeit: Hochwertiges PV-Glas hat typischerweise eine Lichtdurchlässigkeit von über 90%, wodurch mehr Sonnenlicht durch das Glas zu den Solarzellen gelangt und die photovoltaische Umwandlungseffizienz erhöht.
• Wetterbeständigkeit: PV-Glas muss langfristig unter verschiedenen Umweltbedingungen arbeiten und erfordert eine hohe Wetterbeständigkeit, um eine stabile Leistung in rauen Umgebungen wie hohen Temperaturen, niedrigen Temperaturen, Feuchtigkeit und UV-Belastung zu gewährleisten, ohne dass es zu Alterung, Verfärbung oder Versagen kommt.
• Mechanische Festigkeit: Die Verwendung von gehärtetem Glas mit hoher Festigkeit und Schlagfestigkeit kann äußeren Belastungen wie Windlast, Schneelast und Hagel standhalten und so langfristige Sicherheit und Nutzbarkeit gewährleisten.
• Niedriger Eisengehalt: Eisenarmes Glas (ultraklares Glas) hat einen sehr geringen Eisengehalt, wodurch die Lichtabsorption reduziert und die Lichtdurchlässigkeit verbessert wird, was die photovoltaische Umwandlungseffizienz erheblich erhöht.
• Antireflexbeschichtung: Das Hinzufügen von Antireflexbeschichtungen reduziert Lichtreflexionsverluste und erhöht die Lichtdurchlässigkeit weiter, sodass mehr Licht in die Solarzellen gelangt und die Gesamtphotovoltaikumwandlungseffizienz verbessert wird.

3. Verkapselungsfolie für Solarmodule

Die Verkapselungsfolie ist ein wesentliches Material in der Verpackung von Photovoltaik (PV)-Modulen und entscheidend für die Lebensdauer des Moduls. Sie versiegelt und schützt die internen Zellen des Moduls. Zu den Verkapselungsfolien gehören EVA, POE und koextrudiertes EPE.

EVA：

EVA-Folie ist eines der am häufigsten verwendeten Verkapselungsmaterialien und eignet sich besonders für die Verkapselung von Monoglas-P-PERC-Modulen. Dieses Material ist kostengünstig, lässt sich gut verarbeiten und hat eine hohe Vernetzungsgeschwindigkeit, wodurch die Zellen effektiv vor Umwelteinflüssen geschützt werden. Je nach den spezifischen Anforderungen können verschiedene EVA-Typen gewählt werden, z. B. hochtransparentes EVA für die Vorderseite, EVA mit hohem Cutoff für die Rückseite oder weißes EVA mit Titandioxid.

POE: 

POE-Folie wird hauptsächlich für die Verkapselung von Doppelglas- und N-Typ-PV-Modulen verwendet. Im Vergleich zu EVA weist POE überlegene Eigenschaften auf, darunter geringe Wasserdurchlässigkeit, Hydrolysebeständigkeit, Alterungsbeständigkeit und hervorragende PID-Beständigkeit (Potential Induced Degradation). Aufgrund ihrer glatten Oberfläche neigt sie jedoch zur Verschiebung und erhöht die Verarbeitungs schwierigkeit, was zu höheren Kosten führt.

Koextrudiertes EPE: 

Koextrudierte EPE-Folie kombiniert die gute Verarbeitbarkeit von EVA mit der hervorragenden PID-Beständigkeit und Wasserbeständigkeit von POE. Dieses Material wird häufig in N-Typ-Topcon-Zellmodulen und Doppelglasmodulen verwendet und bietet eine ausgewogene Leistung und Kosteneffizienz.

Schlüsselfunktionen von Verkapselungsfolien für Solarmodule

In Solarmodulen müssen Verkapselungsfolien mehrere Schlüsselfunktionen aufweisen, um ihre Effektivität und Zuverlässigkeit im photovoltaischen Umwandlungsprozess zu gewährleisten:

• Hohe Transparenz: Die Transparenz von Verkapselungsfolien sollte so hoch wie möglich sein, um eine maximale Sonnenlichtdurchlässigkeit zu ermöglichen und dadurch die photovoltaische Umwandlungseffizienz zu verbessern. Typischerweise liegt die Transparenzanforderung über 95%.
• Geringe optische Verluste: Verkapselungsfolien sollten optische Verluste minimieren, um die Lichtabsorption und -streuung innerhalb der Folie zu reduzieren. Optische Verluste umfassen hauptsächlich Absorptions- und Streuverluste.
• Hervorragende Haftung: Verkapselungsfolien sollten eine starke Haftung an Materialien wie Glas, Zellen und Rückseitenfolien aufweisen, um die Robustheit und Zuverlässigkeit des Moduls zu gewährleisten. Die Bindungsfestigkeit zwischen der Verkapselungsfolie und den Zellen sollte ausreichen, um mechanischen Belastungen während des Modulbetriebs standzuhalten.
• Gute mechanische Festigkeit: Verkapselungsfolien sollten eine ausreichende mechanische Festigkeit aufweisen, um mechanischen Belastungen unter rauen Umweltbedingungen wie Wind, Schnee und Hagel standzuhalten.
• Hervorragende elektrische Isolierung: Verkapselungsfolien sollten wirksam Leckagen und elektrische Unfälle verhindern, um die Sicherheit und Zuverlässigkeit des PV-Systems zu gewährleisten. Die Durchschlagspannung und das Volumenwiderstand der Verkapselungsfolie sollten den relevanten Normen entsprechen.

4. Rückseitenfolie für Solarmodule

In der Rückseitenverkapselung von Solar-Photovoltaik (PV)-Modulen umfassen die Materialien hauptsächlich Rückseitenfolien und Rückglas, die eine wichtige Rolle beim Schutz und der Optimierung der Modulleistung spielen.

Rückseitenfolien:

Die Rückseitenfolien befinden sich auf der Rückseite von Solarmodulen und haben die Hauptfunktion, die internen Solarzellen und Verkapselungsmaterialien vor äußerer Umwelteinflüssen zu schützen und zu gewährleisten, dass das Modul langfristig stabil betrieben werden kann. Häufig verwendete Materialien für Rückseitenfolien umfassen glasfaserverstärkten Kunststoff (FRP) und Polyesterfolien-Rückseitenfolien. FRP-Rückseitenfolien bieten hohe Festigkeit und Wetterbeständigkeit und sind für verschiedene Umgebungsbedingungen geeignet. Polyesterfolien-Rückseitenfolien sind leicht und besitzen gute Flexibilität und mechanische Eigenschaften. Rückseitenfolien bestehen typischerweise aus einer Dreischichtstruktur, bestehend aus einer Außenschicht, einer Mittelschicht (häufig PET-Substrat) und einer Innenschicht. Verschiedene Arten von beschichteten Rückseitenfolien, einschließlich FPF, KPF, PPF und PF, bieten unterschiedliche Eigenschaften wie Fluorbeschichtungen (F oder C) und PVDF-Filme (K), die die Wetterbeständigkeit und Alterungsbeständigkeit verbessern. Diese Schichtstrukturen und Beschichtungen schützen die internen Komponenten des Moduls wirksam vor Licht, Feuchtigkeit, Wärme und Frostbedingungen und gewährleisten so die Stabilität und Zuverlässigkeit in verschiedenen Umgebungen.

Rückglas:

Rückglas ist das Glasmaterial, das die Rückseitenfolie in Solarmodulen bedeckt. Seine Hauptaufgabe besteht darin, die hintere Struktur zu schützen und die Lichtdurchlässigkeit zu maximieren, um die photovoltaische Umwandlungseffizienz des Moduls zu verbessern. Rückglas verfügt auch über hervorragende Abriebfestigkeit, Wetterbeständigkeit und Korrosionsbeständigkeit, was es für den langfristigen Einsatz unter verschiedenen Umgebungsbedingungen geeignet macht. Rückglas verwendet typischerweise halbgehärtetes eisenarmes ultraklares Photovoltaikglas. Es ist in verschiedenen Stärken (wie 2,0 mm und 1,6 mm) und Designs mit oder ohne Gitter erhältlich, um den Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht zu werden. Seine Eigenschaften umfassen extrem niedrige Wasserdampftransmissionsraten, die Feuchtigkeitsinduzierte Delaminationsprobleme der Rückseitenfolie verhindern. Darüber hinaus hat es hohe Isoliereigenschaften und unterstützt höhere Systemspannungsanforderungen.

5. Solarmodulrahmen

Der Solarmodulrahmen ist ein wesentliches Zubehör des Moduls, das hauptsächlich verwendet wird, um die Kanten des Solarmodulglases zu schützen, die Versiegelungsleistung des Moduls zu verbessern und die mechanische Festigkeit zu erhöhen, was die Lebensdauer des Moduls erheblich beeinflusst. Als entscheidende Komponente im Photovoltaikmodul haben Aluminiumlegierungsrahmen den Markt aufgrund ihrer hohen Festigkeit, Robustheit, guten Leitfähigkeit, Korrosionsbeständigkeit, Oxidationsbeständigkeit, starken Zugfestigkeit, Transport- und Installationsfreundlichkeit sowie Wiederverwertbarkeit dominiert. Diese hervorragenden Eigenschaften haben es Aluminiumlegierungsrahmen ermöglicht, eine Marktdurchdringungsrate von über 95% beizubehalten und sich mit der Photovoltaikindustrie im Laufe der Jahre zu entwickeln. Der Solarmodulrahmen ist ein hochwertiges Zubehörteil in der Kostenstruktur von Photovoltaikmodulen, bei dem Zellkosten etwa 55% ausmachen. Mit den aktuellen Standardgrößen und -gewichten von Aluminiumrahmen macht der Solarmodulrahmen etwa 13% der Gesamtkosten aus, mehr als andere Zubehörteile wie EVA, Glas, Rückseitenfolie und Bänder. Es ist das kostenintensivste Zubehör. Neben den traditionellen Aluminiumlegierungsrahmen gibt es auch kostengünstige Aluminium-Magnesium-Legierungsrahmen und Verbundmaterialrahmen auf dem Markt. Aufgrund von Einschränkungen im Erscheinungsbild und der Korrosionsbeständigkeit sind diese Materialien jedoch nicht zu Mainstream-Wahlmöglichkeiten geworden.

6.

Abzweigdose

Die Anschlussdose ist ein Verbinder zwischen dem Solar-Photovoltaikzellenarray, das das Solarmodul bildet, und dem Solarladesteuergerät. Ihre Hauptfunktion besteht darin, den von den Solar-Photovoltaikzellen erzeugten Strom mit externen Stromkreisen zu verbinden. Die Anschlussdose wird mit Silikon auf die Rückseitenfolie des Moduls geklebt. Die ausgehenden Drähte im Modul werden durch die interne Verdrahtung der Anschlussdose miteinander verbunden, die dann die interne Verdrahtung mit den externen Kabeln verbindet und so die Verbindung des Moduls mit externen Kabeln sicherstellt. Die Anschlussdose des Photovoltaikmoduls ist eine kritische elektrische Verbindungskomponente. Ihre Hauptstruktur umfasst ein Gehäuse mit einer gedruckten Schaltung im Inneren. Die gedruckte Schaltung verfügt über N-Sammelschienen-Anschlussklemmen und zwei Kabelanschlussklemmen. Jede Sammelschienen-Anschlussklemme ist über Sammelschienen in Reihe mit den Strängen von Solar-Photovoltaikzellen verbunden, und benachbarte Sammelschienen-Anschlussklemmen sind durch Dioden verbunden. Elektronische Schalter sind in Reihe zwischen den Sammelschienen-Anschlussklemmen und den Kabelanschlussklemmen geschaltet, die durch empfangene Steuersignale ein- oder ausgeschaltet werden. Die N-te Sammelschienen-Anschlussklemme ist mit der zweiten Kabelanschlussklemme verbunden. Die beiden Kabelanschlussklemmen sind über Kabel mit der Außenwelt verbunden, und zwischen den beiden Kabelanschlussklemmen ist ein Bypass-Kondensator angebracht.

Schlussfolgerung

Zusammenfassend umfasst die Zusammensetzung eines Solar-Photovoltaikmoduls wichtige Komponenten wie Photovoltaikzellen, Rückseitenfolie, Glas, Verkapselungsmaterialien, Rahmen und Anschlussdose. Jede Komponente spielt eine unentbehrliche Rolle in der Gesamtleistung und Haltbarkeit. Photovoltaikzellen sind das Herzstück, das Sonnenenergie in Strom umwandelt; die Rückseitenfolie und das Glas bieten Schutz und Transparenz; Verkapselungsmaterialien gewährleisten die Versiegelung und Haltbarkeit jeder Komponente; während der Rahmen und die Anschlussdose für die Fixierung, Installation und Stromleitung des Moduls verantwortlich sind. Das Zusammenspiel dieser Komponenten ermöglicht es Solar-Photovoltaikmodulen, effizient und stabil zu arbeiten und den vielfältigen Anforderungen verschiedener Anwendungen gerecht zu werden.

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Referenz：

Solar Panels: A Brief Analysis of Process Route Development Status - Efficiency - Composite - Technology. (n.d.-c). Copyright © 2017 Sohu.com Inc. All Rights Reserved. Retrieved from https://www.sohu.com/a/635276105_121123896

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