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Forschung/Entwicklung

Die deutsche Photovoltaik-Forschung gehört weiterhin zur Weltspitze. Das belegen die Ergebnisse der insgesamt 13 Forschungsverbünde der Initiative „F&E für Photovoltaik“. Dazu zählten unter anderem ein Weltrekord beim Wirkungsgrad von hocheffizienten PERC-Solarzellen, die Entwicklung neuartiger Siliziumkarbid-Halbleiter, verbesserte Topologie für Wechselrichter, innovative Verfahren in der Zellherstellung sowie intelligente Systemlösungen für die effiziente Nutzung von Solarstrom in kleineren Einheiten wie Wohngebäuden oder Gewerbebetrieben bis hin zu Großstrukturen, zum Beispiel regionale Elektrizitätssysteme mit großen Solarstromanteilen.

Wie diese Forschungserfolge und das vorhandene Know-how in Unternehmen, Instituten und Hochschulen auch in Zukunft Werte schöpfen und Arbeitsplätze in Deutschland schaffen kann, war eine der Leitfragen des Kolloquiums. Vor allem bewegte die rund 60 Teilnehmer des Kolloquiums die Frage, wie sich die fruchtbare Zusammenarbeit zwischen Forschungsinstituten, Maschinenbauern und Photovoltaik-Industrie im Hinblick aufmaktuelle und kommende Herausforderungen einsetzen lässt und welche Rolle die Innovationsförderung durch die öffentliche Hand spielen kann und soll. Nach dem Impulsvortrag „F&E in der PV: Maschinenbau und Forschungsinstitute“ von Prof. Dr. Giso Hahn (Universität Konstanz) diskutierte ein Panel von Experten der Branche und der Wissenschaft die Fragestellung „PV-Industrie 4.0 – Wie können Maschinenbau und Systemtechnik von der vierten industriellen Revolution profitieren?“.

Mit dem noch laufenden 6. Energieforschungsprogramm hat die Bundesregierung die Forschungsförderung auf die Energiewende ausgerichtet. Im Rahmen der Initiative „F&E für Photovoltaik“ werden vor allem Projekte unterstützt, die Photovoltaiktechnologie noch günstiger machen, dabei die Lebensdauer der Komponenten weiter erhöhen und so im wachsenden Umfang eine förderunabhängige Solarstromproduktion ermöglichen. Zugleich soll mit intelligenter Systemtechnik und integriertem Energiemanagement der Anteil des vor Ort verbrauchten sauberen Solarstroms erhöht und Lösungen entwickelt werden für ein weitgehend auf Erneuerbaren Energien basierenden Elektrizitätssystem. Über allem steht dabei das Ziel, Geschäftsmodelle mit Wertschöpfungsketten am Standort Deutschland im Verbund von Industrie und industrienahen Dienstleistungen voranzutreiben.

Quelle: Solarstromforschung

Die SMA Solar Technology AG, die Fraunhofer-Institute für Solare Energiesysteme ISE sowie für Fertigungstechnik und Angewandte Materialforschung IFAM und die Phoenix Contact GmbH & Co. KG haben nach drei Jahren intensiver gemeinsamer Arbeit das Forschungsprojekt PV-Pack zu innovativen Wechselrichter-Konzepten erfolgreich abgeschlossen. Ziel war es, alternative Lösungen in den Bereichen Kühlung sowie Aufbau- und Verbindungstechnik zu entwickeln, neue Materialien zu charakterisieren und diese Konzepte hinsichtlich der Wechselwirkungen mit der Leistungselektronik in Wechselrichter-Systemen zu optimieren. Mit den erzielten Projektergebnissen werden zukünftig deutlich kompaktere und kostengünstigere PV-Wechselrichter möglich sein. Das Verbundvorhaben wurde vom Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) im Rahmen der Bekanntmachung „Leistungselektronik zur Energieeffizienz-Steigerung (LES) Teil 2: Elektronik für die Energie der Zukunft“ mit rund 1,4 Millionen Euro gefördert. Die Projektkoordination lag bei SMA.

Wechselrichter sind die technologisch wichtigste Komponente in Photovoltaikanlagen. Sie entscheiden über Effizienz und Zuverlässigkeit des gesamten Systems. Um die internationale Wettbewerbsfähigkeit der deutschen Photovoltaik-Industrie weiter zu verbessern, muss die Wechselrichter-Technologie kontinuierlich weiterentwickelt und der technologische Vorsprung durch Innovationen in den verschiedenen Technologiefeldern weiter ausgebaut werden.

Heutige Solar-Wechselrichter bestehen zu mehr als 70 Prozent aus mechanischen und elektromechanischen Bauteilen für Verbindungs-, Stütz- und Kühlungsstrukturen. Ziel des Verbundforschungsprojekts PV-Pack war es daher, sich ganz gezielt mit diesen Elementen der Aufbau-, Verbindungs- und Kühlungstechnik auseinanderzusetzen, um durch neue Technologien, Materialen und Optimierungsmethoden deutlich kompaktere und kostengünstigere PV-Wechselrichter zu ermöglichen.

In der intensiven Zusammenarbeit von Wissenschaft und Industrie wurden im Rahmen von PV-Pack in diesem Zusammenhang vielfältige Innovationen erarbeitet und in einem Technologie-Demonstrator der 50-Kilowattklasse sowie einer Wechselrichter-Experimentierplattform mit neuartigen Siliziumkarbid-Halbleiterbauelementen evaluiert. Mit den neuen Technologieansätzen und Methoden konnten effiziente Wege für eine Verdoppelung der Leistungsdichte bei gleichzeitig deutlicher Kostenreduktion und Wahrung der bewährten SMA Gerätezuverlässigkeit erfolgreich demonstriert werden.

Erste Teilergebnisse des Projekts, wie beispielsweise das neuartige Geräteaufbaukonzept, werden bereits in diesem Jahr in seriengefertigte Solar-Wechselrichter von SMA einfließen. Die gewonnenen Erkenntnisse zu neuen Technologieansätzen und zur Methodik, wie diese optimal miteinander kombiniert werden können, stellen eine wichtige Grundlage für die weitere Vorlaufforschung und zukünftig darauf aufbauende Serienprodukte dar.

Das Projekt hat eindrucksvoll gezeigt, dass gerade in der mechanisch-thermischen Optimierung auf Basis neuer Materialien und Technologien ein großes noch unerschlossenes Potenzial für die Weiterentwicklung und die dringend nötige Kostenreduktion in der Wechselrichter-Technik steckt. Zudem kann durch den Einsatz neuer Siliziumkarbid-Bauelemente die Kompaktheit und Performance der Geräte nochmal deutlich gesteigert werden, was zusammen mit den im Vorhaben realisierten neuen Technologielösungen an einem entsprechenden, voll funktionsfähigen Labor-Wechselrichter praktisch nachgewiesen wurde. Die im interdisziplinären Verbundforschungsprojekt PV-Pack erzielten Ergebnisse werden so der deutschen Industrie helfen, im sich verschärfenden internationalen Konkurrenzkampf zu bestehen und den Produktionsstandort Deutschland zu erhalten.

Quelle: SMA Solar Technology AG

 

Eine neue Cell-String Optimizer-Technologie von Maxim Integrated Products, Inc. (NASDAQ: MXIM) verleiht PV-Panels (Photovoltaik) einen deutlich höheren Energieertrag und reduziert die Designkomplexität von PV-Anlagen.

Bei den Cell-String Optimizern von Maxim handelt es sich um hochintegrierte DC/DC-Wandler, die die Bypass-Diode ersetzen und tief eingebettet in das PV-Modul für ein maximales Power Point Tracking (MPPT) sorgen. Indem jede Diode durch einen MPPT-Baustein ersetzt wird, werden Zellenstrings bei Performance-Ungleichheiten nicht mehr komplett ausgeschaltet. Stattdessen trägt jeder String maximal zum Gesamtertrag bei, ohne dass dadurch die von anderen Strings gelieferte Energiemenge beeinflusst wird. Diese erweiterte Flexibilität führt zu einem höheren Energieertrag, indem sie Leistungseinbußen durch Ungleichheiten zwischen Modulen, Alterung, Verschmutzung, lokale Verschattung oder zeilenweise Verschattung verhindert.

Auf der Basis der branchenführenden Leistungshalbleiter-Technologie des Unternehmens ist der Cell-String Optimizer von Maxim das erste integrierte Leistungs-IC mit MPPT-Funktion und auch der erste Baustein, der direkt in PV-Module eingebaut wird.

Die wichtigsten Vorteile

  • Erhöhter Energieertrag: Die branchenweit beste Verschattungskompensation sorgt - verglichen mit Dioden - für einen um 30 % höheren Energieertrag.
  • Höhere Zuverlässigkeit: Hotspots werden unterbunden und die Auswirkungen von Faktoren, die die Leistung mindern können, werden auf ein Minimum begrenzt.
  • Flexibles Design: Mehr Flexibilität zur Verwendung unterschiedlicher Stringlängen und Ausrichtungen sowie zur Ausdehnung der Installationsfläche in teilweise verschattete Bereiche.
  • Einfacherer Betrieb: Die vollständig integrierte Lösung vereinfacht das Design, da sie ohne zusätzliche Hardware, spezielle Wechselrichter oder Datendienste auskommt.

Stellungnahme

„Die Feinstufigkeit der Cell-String Optimizer von Maxim sorgt für eine herausragende Verschattungskompensation, ermöglicht ein flexibles Anlagendesign ohne zusätzliche Komplexität und trägt zur Leistungssteigerung über die gesamte Lebensdauer des Panels hinweg bei“, erklärte Seth Kahn, Executive Director, Solar Products bei Maxim Integrated. „Bedeutende Hersteller von PV-Modulen haben die Vorteile dieser einzigartigen Technologie - des ersten MPPT-fähigen, integrierten Leistungshalbleiters - bereits erkannt und setzen sie in ihrer Serienproduktion ein.“

Quelle: Maxim Integrated

Forschern am Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE ist es gemeinsam mit der österreichischen Firma EV Group gelungen, eine Mehrfachsolarzelle auf Silicium-Basis mit nur zwei Kontakten herzustellen, welche die theoretische Wirkungsgradgrenze reiner Siliciumsolarzellen überschreitet. Hierfür übertrugen die Forscher nur wenige Mikrometer dünne III-V Halbleiterschichten auf Silicium. Die Verbindung gelang ihnen mittels eines aus der Mikroelektronik bekannten Verfahrens, dem direkten Waferbonden. Dabei werden Oberflächen nach einer Plasmaaktivierung im Vakuum unter Druck miteinander verbunden. Es entsteht eine Einheit, indem die Atome der III-V Oberfläche Bindungen mit dem Silicium eingehen. Für eine derartige vollständig integrierte Mehrfachsolarzelle auf Silicium-Basis stellt der erzielte Wirkungsgrad ein erstmaliges Ergebnis dar. Der Solarzelle sieht man die komplexe innere Struktur nicht an, sie besitzt wie herkömmliche Siliciumsolarzellen einen einfachen Vorder- und Rückseitenkontakt und kann wie diese in PV-Module integriert werden.

"Wir arbeiten daran, die theoretischen Grenzen von Siliciumsolarzellen zu überwinden", sagt Dr. Frank Dimroth, Abteilungsleiter am Fraunhofer ISE. "Unsere langjährige Expertise im Bereich der Silicium- und III-V-Mehrfachsolarzellen hat uns geholfen, diesen Meilenstein nun tatsächlich zu erreichen." Die III-V/Si Mehrfachsolarzelle mit einer Fläche von 4 cm2 wurde im Kalibrierlabor des Fraunhofer ISE vermessen und weist eine Effizienz von 30,2 Prozent für die Umwandlung des einfallenden Lichts in elektrische Energie auf. Die bislang höchste Effizienz einer reinen Siliciumsolarzelle liegt bei 26,3 Prozent und das für Silicium theoretisch berechnete Limit bei 29,4 Prozent.

Die III-V/Si Mehrfachsolarzelle weist eine Abfolge von übereinander gestapelten Teilzellen aus Gallium-Indium-Phosphid (GaInP), Gallium-Arsenid (GaAs) und Silicium (Si) auf, welche intern durch sogenannte Tunneldioden verschaltet sind. Die oberste Zelle aus GaInP absorbiert Strahlung zwischen 300 und 670 nm, die GaAs-Zelle zwischen 500 und 890 nm und die Si-Zelle zwischen 650 und 1180 nm. Die III-V Schichten wurden zunächst auf einem GaAs Substrat epitaktisch abgeschieden und dann auf eine speziell angepasste Siliciumsolarzellenstruktur gebondet. Anschließend wurde das GaAs Substrat entfernt, die Zelle mit Vorder- und Rückkontakt sowie einer Antireflexbeschichtung versehen.

"Ein Schlüssel zum Erfolg war es, eine Prozesskette zu entwickeln, die sowohl eine ausreichend glatte und partikelfreie Silicium-Oberfläche bereitstellt als auch die unterschiedlichen Bedürfnisse von Silicium und III-V Halbleiter berücksichtigt", sagt Dr. Jan Benick, Teamleiter am Fraunhofer ISE. "Dieser Prozess basiert auf unseren jahrzehntelangen Erfahrungen in der Entwicklung höchsteffizienter Siliciumsolarzellen." Institutsleiter Prof. Eicke R. Weber äußert sich begeistert über das Rekordergebnis: "Ich freue mich sehr darüber, dass es uns am Fraunhofer ISE gelungen ist, die Glasdecke von 30 Prozent Effizienz für eine integrierte Solarzelle auf Silicium-Basis mit nur zwei Kontakten so überzeugend zu durchstoßen. Wir öffnen damit die Tür zu weiteren Effizienzerhöhungen auf Basis des bewährten Siliciums in der Zukunft."

"Die III-V/Si Mehrfachsolarzelle zeigt eindrucksvoll die Möglichkeiten unseres ComBond® Clusters, verschiedene Halbleiter widerstandsfrei und ohne Klebstoffe zu verbinden", freut sich Markus Wimplinger, Corporate Technology Development and IP Director der EV Group. "Seit 2012 arbeiten wir eng mit dem Fraunhofer ISE an der Entwicklung, und wir sind stolz auf die herausragende Leistung unserer Teams." Das Verfahren des direkten Waferbondens wird in der Mikroelektronik bereits zur Herstellung von Computerchips eingesetzt.

Auf dem Weg zu einer industriellen Fertigung der III-V/Si Mehrfachsolarzelle müssen die Kosten der III-V Epitaxie und der Verbindungstechnologie mit Silicium weiter gesenkt werden. Hier liegen große Herausforderungen, die die Freiburger Fraunhofer-Forscher in zukünftigen Entwicklungsvorhaben in ihrem neu entstehenden Zentrum für Höchsteffiziente Solarzellen lösen wollen. Dort sollen sowohl III-V- als auch Si-Technologien der nächsten Generation entwickelt werden. Zielsetzung ist es, in Zukunft höchsteffiziente Solarmodule mit mehr als 30 Prozent Wirkungsgrad zu ermöglichen.

Quelle: Fraunhofer ISE

Welche EVA-Folie in einem Solarmodul verbaut wird, spielt eine wichtige Rolle für die Fehleranfälligkeit und Lebensdauer des Moduls – und damit letztlich auch für den Ertrag eines PV-Kraftwerks. Nicht selten führt der Preisdruck auf dem internationalen Solarmarkt dazu, dass minderwertige EVA-Folien eingesetzt werden. Das Photovoltaik-Institut Berlin (PI Berlin) hat erstmals ein Polymer-Analyseverfahren entwickelt, mit dem die Qualität von EVA-Folien untersucht werden kann. Auf der Intersolar Europe stellt das PI Berlin den neuen EVA-Test vor.

„Seit einigen Jahren finden wir immer häufiger Fehler in PV-Kraftwerken, die mit minderwertigen EVA-Folien zusammenhängen. Schlechte Folien sind nicht nur bei niederpreisigen No-Name-Herstellern zu finden. Auch Markenherstellern kann beispielsweise falsch etikettierte Ware oder Folie mit stark schwankender Qualität geliefert werden. Oder die Folien-Lieferanten selbst erhalten bereits von ihren Zulieferern schlechtes Material. Sich davor zu schützen, ist also gar nicht so einfach“, erklärt Dr. Juliane Berghold, Leiterin des Bereichs Modultechnologie und Forschung am PI Berlin.

EVA-Analyse: Prüfung der Folienchemie

Deshalb hat das PI Berlin zusammen mit seinem japanischen Partner Mitsui Chemicals ein EVA-Testverfahren entwickelt: Zum einen wird qualitativ untersucht, ob in der Folie alle chemischen Komponenten enthalten sind, die eine Qualitätsfolie ausmachen. Zum Beispiel wird die Existenz bestimmter Additive wie UV-Absorber und Antioxidantien überprüft. Anschließend wird getestet, ob die Folie diese Additive in der jeweils richtigen Konzentration aufweist. Das Ergebnis wird in einem Prüfbericht festgehalten.

Minderwertige Folie verringert Modul-Lebensdauer  

Die Schäden, die minderwertige Folien bewirken können, sind vielfältig. Im Zusammenhang mit einer schlechten Folienqualität steht zum Beispiel häufig die potentialinduzierte Degradation (PID), die die Leistung und Lebensdauer des Solarmoduls senken und den Ertrag eines PV-Parks deutlich mindern kann. Aber auch kritische Delaminationen im Solarmodul und Korrosionsschäden jeglicher Art – zum Beispiel korrodierte Solarzellenmetallisierung und sogenannte Schneckenspuren, die Mikrohaarrisse und Zellbrüche sichtbar machen – hängen häufig mit der Folienqualität zusammen.  

Modulhersteller und Anlagenbetreiber sichern sich ab

„Auf uns kommen immer häufiger Modulhersteller und Anlagenbetreiber zu, die sich von Anfang an gegen mögliche Folgeschäden absichern wollen. Wir prüfen dann, ob die verwendeten Folien den Kriterien entsprechen, die sie mit ihren Lieferanten in der sogenannten Bill of Material, also der Materialaufstellung, vereinbart haben“, berichtet Berghold weiter. „Aber auch bei der Fehleranalyse im PV-Kraftwerk liefert der Test einen wichtigen Beitrag zur Ursachenforschung. Manchmal ergibt die Untersuchung, dass es sich bei der Folie um eine Art Billigimitat handelt, in dem zwar alle Additive vorhanden sind, aber in einer viel zu geringen Konzentration.“

Quelle: PI Berlin