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Photovoltaic with superior crack resistance

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Eine Lösung für Risse bei beständigen Solarzellen

Mikrorisse in Solarzellen sind häufig eine Herausforderung für Hersteller von Solarstrommodulen. EU-finanzierte Forscher führten ein innovatives Vorspannungsverfahren ein, um das Wachstum von Rissen hinauszuzögern und beständige Solarzellen herzustellen.

Industrielle Technologien
Energie

Gewöhnliche Siliziumsolarzellen bestehen aus sehr dünnen Wafern mit einer Dicke von üblicherweise ca. 200 Mikrometern. Auch wenn diese bedingte Biegefähigkeiten aufweisen, können sich Risse bilden – die oftmals durch mechanische Kräfte oder Wärmebelastung induziert werden. Diese Mikrorisse sind so klein, dass sie mit bloßem Auge unmöglich erkannt werden können, was wiederum deren Detektion erschwert. „Insbesondere Mikrorisse können durch schlechte Handhabung der Solarzellen während deren Herstellung, durch Beschädigung der Module bei Transport oder Installation oder durch Exposition gegen verschiedene klimatische Einflussfaktoren verursacht werden“, bemerkt Prof. Marco Paggi, Leiter des EU-finanzierten Projekts PHYSIC. Aufbauend auf der Pionierforschung, die im Rahmen eines anderen durch den Europäischen Forschungsrat bezuschussten Projekts durchgeführt worden war, kamen die Forscher von PHYSIC zu dem Schluss, dass alle Ursachen für Risse in Siliziumsolarzellen vor allen Dingen mit der Sprödigkeit des Materials verbunden sind. Der Branchentrend in Richtung einer Reduzierung der Dicke von Solarzellen, um Material einzusparen, kann somit die Auswirkungen der Rissbildung verstärken und nachteilig für die Beständigkeit der Photovoltaikmodule sein. Geringe Spannung steigert die Leitfähigkeit Um mögliche Abhilfe für die Rissausbreitung zu finden, nahmen die Forscher eine mechanische Sichtweise auf das Problem ein. Im Kern dieses Ansatzes stand, dass Solarzellen keine eigenständigen Komponenten sind, sondern vielmehr in eine Laminatstruktur eingebettet sind, die aus verschiedenen Schichten aus unterschiedlichen Materialien wie Glas und Polymeren besteht. Das Team fokussierte sich auf Restspannungen, die während des Laminationsprozesses präsent sind und die auf die unterschiedlichen thermoelastischen Eigenschaften verschiedener Materialien zurückzuführen sind. „Eine gründliche Analyse führte zu der Entdeckung, dass durch die Ausübung schwacher Restdruckspannung auf Solarzellen nach der Modulherstellung die elektrische Leitfähigkeit im Umkreis von Rissen verbessert werden kann. Aufgrund dieser wünschenswerten Restspannungen neigen Risse dazu, sich zu schließen, sodass elektrischer Strom frei durch sie fließen kann“, erklärt Prof. Paggi. Durch Anwendung eines innovativen Vorspannungsverfahrens auf der Rückseite des Materials – der letzten Polymerschicht, welche die Laminatstruktur bildet, die sich gegenüber dem Glas befindet – schafften es die Forscher, die Menge an Druckspannungen im Silizium zu erhöhen und für die Mehrzahl der Risse ein Rissschließen zu erreichen. Elektrolumineszenzdaten zu Solarzellen mit Rissen vor und nach der Behandlung belegten eindeutig, dass die dunklen Bereiche der Solarzelle im Anschluss an das neu vorgeschlagene Vorspannungsverfahren wieder elektrisch leitfähig werden. Auf den Risswiderstand kommt es an PHYSIC enthüllte eine neue Generation von Photovoltaikmodulen, die einen herausragenden Widerstand gegen Rissbildung zeigen. Der Ansatz des Projektes stützte sich auf fundamentale Prinzipien der Mechanik von Verbundstoffen, die bislang von Photovoltaikherstellern nicht berücksichtigt wurden. „Die Vernachlässigung von Materialabbauproblemen kann sich für den Betrieb von Photovoltaikmodulen als sehr schädlich erweisen und zu Leistungsverlusten führen, die weitaus höher sind als das, was durch Fokussierung auf die solare Umwandlungseffizienz eingespart wird“, merkt Prof. Paggi an.

Schlüsselbegriffe

PHYSIC, Rissbildung, Photovoltaikmodule, Vorspannung, Silizium, Restspannungen, Leitfähigkeit, Rissschließen

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