Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSPLeichtgewicht und Materialeffizienz für die Gebäude-integrierte PV
Ein Glas-Glas-PV-Modul mit jeweils nur 1 mm starkem Front- und Rückglas haben die EXXOSQEL GmbH und das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP gemeinsam entwickelt. Eine reaktive Beschichtung gleicht die geringere mechanische Festigkeit und die mangelnde Steifigkeit der ultradünnen Gläser aus. Der Demonstrator zeigt Potenziale für leichtere, materialeffizientere Solarmodule, etwa für die Gebäude-integrierte Photovoltaik.
Dünnere Gläser sind in der Photovoltaikindustrie ein naheliegender Ansatz, um Materialverbrauch, Modulgewicht und damit Transport- sowie Handhabungsaufwand zu reduzieren. Sie bieten jedoch üblicherweise weniger mechanische Belastbarkeit und eine geringere Steifigkeit. Insbesondere bei Hagel und anderen extremen Witterungsereignissen muss die Schutzfunktion des Frontglases für die darunterliegenden Modulkomponenten erhalten bleiben. Gefragt sind daher Lösungen, die geringere Glasdicken mit hoher Robustheit verbinden.
Das Fraunhofer CSP und EXXOSQEL haben hierfür den Prototyp eines Glas-Glas-Moduls mit 1 mm dickem Front- und Rückglas im Format 300 × 200 mm entwickelt. Das Modul nutzt etablierte Verkapselungsmaterialien und seriell verschaltete Viertelzellen aus bifazialen M6-9-Busbar-PERC-Zellen; jede Viertelzelle liefert rund 1,58 W.
Kern der Entwicklung ist eine mehrkomponentige, reaktive Oberflächenbehandlung, die direkt auf das Glas aufgebracht wird. Sie reagiert mit Hydroxylgruppen auf den durch Mikrorisse charakterisierten Glasoberflächen, die während der Abkühlung und Heißformgebung entstehen. Die Beschichtung bildet kovalente Bindungen mit der Glasmatrix aus und stärkt durch die so entstehende »Brückenbildung« die Oberfläche. Ihre optischen Eigenschaften sind auf das Glas abgestimmt, um Wirkungsgradverluste gering zu halten.
Die Realisierung des Prototyps erforderte angepasste Fertigungsbedingungen: Das ultradünne Glas musste prozesssicher in den Laminierprozess integriert werden. »Das Modul wurde mit einem Standard-PV-Laminator gefertigt; Prozessparameter wie Temperatur, Druck und Anlagenkonfiguration wurden angepasst«, sagt Projektleiter Ringo Köpge vom Fraunhofer CSP. Der aktuelle Aufbau ist ein Demonstrator ungefähr in der Größe eines DIN-A4-Blattes. Ob sich die angestrebte Robustheit auch bei großformatigen Modulen unter Hagelbeanspruchung bestätigt, muss noch in weiteren Tests nachgewiesen werden.
Für die Umsetzung brachte das Fraunhofer CSP insbesondere seine Kompetenz in der PV-Modulintegration ein: die Auswahl und Verschaltung der Zellen, den Einsatz geeigneter Verkapselungsmaterialien sowie die Anpassung der Laminierparameter an das Dünnglas. Damit konnte die Beschichtung im Modulverbund statt ausschließlich an Glasproben erprobt werden. »Der spezielle Beschichtungsprozess ist nicht auf das Demonstratormodul beschränkt, sondern kann auch auf Standard-Solarmodule angewendet werden«, betont Köpge.
In Labortests stieg die Festigkeit von 2-mm-Glas von 79 auf bis zu 558 MPa; bei 1-mm-Glas erhöhte sie sich von 184 auf bis zu 1.348 MPa. Die Werte beziehen sich auf Glasproben und sind noch kein Nachweis für die Feldbeständigkeit großformatiger PV-Module. »Gegenüber dem herkömmlichen Weg, Festigkeit vor allem über größere Glasdicken zu erzielen, eröffnet der Ansatz erhebliche Potenziale. Die mögliche Gewichtseinsparung beträgt bis zu 40 Prozent; auch Energiebedarf und CO₂-Emissionen der Materialbereitstellung könnten sinken«, sagt Thomas C. Sauer, Geschäftsführer von EXXOSQEL. »Die Beschichtung lässt sich dabei auch in bestehende Glasherstellungs- oder Veredelungsprozesse integrieren.«
Als nächste Entwicklungsschritte stehen die Übertragung auf großformatige Module und Prüfungen der Hagelbeständigkeit an. Perspektiven sieht das Projektteam insbesondere für leichte Moduldesigns, bedruckte Frontgläser und die Gebäude-integrierte Photovoltaik.