Projekt 10636/01

Verschaltungs- und Laminiertechniken für Solarzellen und die Übertragung dieser Techniken auf eine automatisierte Fertigung

Projektdurchführung

solarnova Produktions- und Vertriebsgesellschaft mbH
Am Marienhof 6
22880 Wedel

Zielsetzung und Anlass des Vorhabens

Photovoltaik hat das Potential einer zukunftsweisenden Energieversorgung. Sinnvoll ist der Einsatz in den Industriestaaten in der Gebäudeintegration. Für derartige individuelle, der Gebäudestruktur in Form, Farbe und Verwendungsart angepasste PV-Elemente sind bisher nicht realisierte Fertigungsprozesse mit dem Merkmal der Ressourcenschonung sowie der Steigerung des Automatisierungsgrades mit dem Bau einer Pilotanlage zu verwirklichen.
Der Trend zur Materialminimierung nach immer dünneren und größeren Solarzellen ist bezüglich der Zellenverbindungs- und Einbettungstechnik zu berücksichtigen.
Unterschiedliche Löttechnologien sind in bezug auf ihre Reproduzierbarkeit und Kostenoptimierung zur Lebensdauererweiterung der Solarmodule zu untersuchen. Der optimal anzuwendende Automatisierungsgrad sollte ermittelt werden.
Für geschossübergreifende PV-Fassadenelemente ist ein Laminator auf dem Markt nicht erhältlich. Ein Großlaminator für aufmassbezogene Glas-Glas-Solarmodule ist daher in Eigenregie zu entwickeln und in den automatisierten Fertigungsprozess einer Pilotanlage einzubeziehen.


Darstellung der Arbeitsschritte und der angewandten MethodenSolarzellen-Verschaltungstechnik: Für die Löttechnik sind während der Projektierungsphase Sondierungsgespräche mit potentiellen Experten im Sondermaschinenbau, in der Automatisierungstechnik und in der Löttechnologie zu führen. Bei diesen Vorgesprächen werden die Kooperationspartner festgelegt, die auf Basis von Mustererstellungen, mit unterschiedlichen Lötverfahren, mit weltweit verfügbaren Solarzellentypen und Formaten, auf eigens herzustellenden Versuchseinrichtungen die Lötanlage konstruieren, den benötigten und möglichen Automatisierungsgrad ermitteln und letztendlich die Pilotanlage herstellen und die ersten Fertigungsabläufe fachtechnisch begleiten. Abschließend erfolgen Umwelttests und Langzeitversuche.
Laminiertechnik: Die Verfügbarkeit von Materialien, die einer Schlüsselposition für den Bau der Laminieranlage zuzuordnen sind, wurden weltweit ermittelt. Geeignete Produkte wurden in Versuchsanlagen auf ihre Eigenschaften für den späteren Einsatzfall untersucht. Nach Festlegung des Sondermaschinenbauers schließen sich die Konstruktion und der Bau der Anlage an, wobei das bisher in der Photovoltaik nicht realisierte Flächenmaß, die Einbeziehung der Anlage in die spätere Inline -Fertigung und die besondere Schonung der Ressourcen (elektrischer Energiebedarf, Kühlwasser) zu beachten sind.


Ergebnisse und Diskussion

Solarzellen-Verschaltungstechnik: Für die Löttechnik sind unterschiedliche Lötarten zu untersuchen. In Frage kommen Bügellöten, Strahlungslöten und Heißluftlöten. In den ersten Lötversuchen erwies sich das Bügellöten wegen der benötigten Anpresskräfte, speziell unter Berücksichtigung der stetig dünner werdenden Solarzellen und der unterschiedlichen Oberflächenbeschaffenheiten (Welligkeiten), als nicht zukunftsweisend. Eine überschaubare Realisierbarkeitschance ließen die theoretischen Kenntnisse zum Strahlungslöten mit verfügbaren handelsüblichen Komponenten zu. Weitere fertigungstechnische Parameter wie u. a. das Erreichen von Takteinheiten, der Einsatz bei allen verfügbaren Solarzellen, die universelle Verwendung von Verbindungsbändern und das optische Erscheinungsbild sind zu berücksichtigen. Es wurden daher das Strahlungslöten und das Heißluftlöten als vergleichbare technische Varianten detailliert untersucht und projektiert.
Vorversuche zeigten eindeutig, dass die Dicke der Solarzelle einen maßgeblichen Einfluss auf die erforderlichen Lötzeiten hat. Eine Temperaturüberwachung der Solarzellen erschien daher als unbedingt erforderlich. Letztendlich haben sich beide Lötarten für die individuelle Verarbeitung der weltweit verfügbaren, unterschiedlichen Solarzellen, als sinnvoll erwiesen. Für die automatische Pilot-Verstringeranlage ist weiterhin das Strahlungslöten favoritisiert.
Solarzellen sind sehr bruchempfindlich. Weitere intensive Vorversuche galten daher der Untersuchung eines schonenden Transportes innerhalb der Lötanlage. Hierzu gehören Präzisionsförderbänder die eng tolerierte Schrittmaße zulassen sowie kameratechnische Überwachungssteuerungen zur Lageerkennung und Aussortierung von mechanisch fehlerhaften Solarzellen.
Laminiertechnik: Der spezifische Einsatz von Solarmodulen am und im Gebäude bedingt eine Anpassung des Produktes an die architektonischen und statischen Anforderungen. Unterschiedliche geometrische Maße und Formen für geschossübergreifende Ebenen, mit angepassten statisch bestimmten Glasstärken, sind zu realisieren. Die Problemstellung ist die Entwicklung geeigneter Prozesstechnologien mit der Ermittlung zugehöriger Fertigungsprozesse. Für die Gebäudeintegration sind Glas/Glas-Solarmodule mit den Abmessungen von 3 Meter mal 2 Meter zu realisieren. Hierfür können Glasstärken bis zu 2 x 12mm statisch erforderlich sein. Es sind symmetrische Aufbauten (2 x gleiche Glasstärken) wie auch asymmetrische Aufbauten (Gläser unterschiedlicher Dicke, Glas/ Tedlar-Laminate) herzustellen.
Unter Einsatz einer vorhandenen, kleinen Laminieranlage wurden Vorversuche zur Beurteilung von unterschiedlichen Materialien der Andruckfolie durchgeführt. Für die Vielfalt an Aufbauvarianten der Laminate galt es durch Simulationen in der kleinen Laminierkammer Prozessparameter aufzustellen, um Vorgaben für die große Laminieranlage zu ermitteln. Temperatur, Vakuum und Andruckprofile sind bezüglich ihrer Werte und Zeitverläufe beeinflussbar zu gestalten. Vorversuchen mit dem Kleinlaminator haben für die Projektierung der Laminator-Pilotanlage entscheidende Erkenntnisse gebracht.Einen entscheidenden Einfluss zur Herstellung von Laminaten hat die Temperaturverteilung. Zur Vermeidung von Blasenbildung innerhalb der EVA-Schmelzkleberfolie ist während der Andruckphase eine präzise Homogenität gefordert. Durch individuelle Regelbarkeit von Heizflächen wird dieser zwingenden Vorgabe gerecht. Wird nicht die gesamte Heizplattenfläche benötigt, soll sich durch Abschaltung von Heizzonen eine Reduzierung des Energiebedarfs ergeben.
Die Produktqualität wird u. a. durch die Vernetzung des Schmelzklebers bestimmt. Durch Molekülkettenbildung wird die Haftung zu den Solarzellen, den Gläsern bzw. zur Tedlarfolie aufgebaut. Fehler im Vernetzungsprozess sind zu vermeiden, sie sind nicht unbedingt erkennbar und wirken sich erst in einer geringeren Langzeitstabilität aus.


Öffentlichkeitsarbeit und Präsentation

In der PV-Szene wurde dieses Vorhaben durch Besichtigungen unserer Fertigungsstätte ausgiebig präsentiert. Auch aus dem Ausland haben Interessenten Gesamtfertigungseinrichtungen und Teilsysteme angefragt.


Fazit

Die ermittelten technologischen- und fertigungstechnischen Parameter für die elektrische Verschaltung von Solarzellen sowie die gesammelten Erkenntnisse für eine geeignete Einbettungstechnik erbrachten die erforderlichen Basisdaten für die Übertragung dieser Techniken auf eine automatisierte, funktionsfähige Pilotanlage. Das Ziel zur individuellen Verarbeitung von weltweit verfügbaren verschiedenen Solarzellen ist somit erreicht.
Mit dem jetzt vorhandenen Know-how lassen sich für zukünftige Fertigungsanlagen für aufmassbezogene, in der Architektur verwendete Solarmodule, optimale Fertigungsanlagen konzipieren sowie die Fertigungsabläufe gestalten.