Grundlagen der Solar-Photovoltaik-Herstellung

Die Solarfertigung umfasst die Produktion von Produkten und Materialien entlang der solaren Wertschöpfungskette. Zwar gibt es einige konzentrierende Solarthermie-Produktionsanlagen, der Großteil der Solarproduktion in den Vereinigten Staaten ist jedoch mit Photovoltaik-Systemen (PV) verbunden. Diese Systeme bestehen aus PV-Modulen, Racks und Verkabelungen, Leistungselektronik und Systemüberwachungsgeräten, die alle selbst hergestellt werden.

Herstellung von PV-Modulen

SILIKON PV

Die meisten kommerziell erhältlichen PV-Module basieren auf kristallinem Silizium als Absorbermaterial. Diese Module umfassen mehrere Herstellungsschritte, die typischerweise getrennt voneinander erfolgen.

• Polysiliziumproduktion – Polysilizium ist ein hochreines, feinkörniges kristallines Siliziumprodukt, typischerweise in Form von Stäben oder Perlen, abhängig von der Produktionsmethode. Polysilicium wird üblicherweise mit Methoden hergestellt, die auf hochreaktiven Gasen basieren, die hauptsächlich aus metallurgischem Silicium (aus Quarzsand gewonnen), Wasserstoff und Chlor synthetisiert werden. Bei einem Prozess, dem sogenannten Siemens-Prozess, strömt das Silizium-Wasserstoff-Chlor-Verbindungsgas über einen erhitzten Siliziumfaden, bricht die molekularen Bindungen und lagert das Siliziumatom auf dem Faden ab, der schließlich zu einem großen U-förmigen Polysiliziumstab heranwächst. Die Wasserstoff- und Chloratome werden in einem geschlossenen Kreislauf wiederverwendet. Damit das Filament das hochreine Poly nicht verunreinigt, besteht auch das Filament selbst aus reinem Silizium. Bei einer anderen Methode sitzen kleine Siliziumkügelchen am Boden eines umgekehrt kegelförmigen Gefäßes, in das ein Gasgemisch aus Silizium und Wasserstoff eingepumpt wird, wodurch die kleinen Kügelchen nahe der Oberfläche schweben. Durch Erhitzen des Gefäßes brechen die Silizium-Wasserstoff-Bindungen auf, was dazu führt, dass sich die Siliziumatome auf den kleinen Kügelchen ablagern, bis sie zu schwer zum Schwimmen sind und auf den Boden des Gefäßes fallen, wo sie geerntet und gebrauchsfertig werden.

• Ingot- und Waferproduktion – Um Polysilizium in Wafer umzuwandeln, wird Polysilizium in einen Behälter gegeben, der erhitzt wird, bis das Polysilizium eine flüssige Masse bildet. Bei einem Prozess namens Czochralski-Prozess wird ein großer zylindrischer Barren aus monokristallinem Silizium gezüchtet, indem ein kleiner kristalliner Keim die Oberfläche der Flüssigkeit berührt und ihn langsam nach oben zieht. Bei einem anderen Prozess, der als gerichtete Erstarrung bezeichnet wird, wird die flüssige Masse langsam abgekühlt, bis sie von unten nach oben erstarrt und einen großkörnigen multikristallinen Siliziumblock bildet. Anschließend werden Siliziumbarren mit diamantbeschichteten Drahtsägen in sehr dünne Wafer geschnitten. Das entstehende Silizium-Sägemehl wird Schnittfuge genannt. Die kerfless Wafer-Produktion ist zwar seltener, kann jedoch dadurch erreicht werden, dass gekühlte Schichten aus einem geschmolzenen Siliziumbad abgezogen werden oder indem gasförmige Siliziumverbindungen verwendet werden, um eine dünne Schicht aus Siliziumatomen auf einer kristallinen Schablone in Form eines Wafers abzuscheiden.

• Zellherstellung – Siliziumwafer werden dann zu Photovoltaikzellen verarbeitet. Der erste Schritt ist die chemische Texturierung der Waferoberfläche, die Sägeschäden beseitigt und die Lichtmenge erhöht, die in den Wafer gelangt, wenn dieser dem Sonnenlicht ausgesetzt wird. Die weiteren Prozesse variieren je nach Gerätearchitektur erheblich. Bei den meisten Zelltypen muss der Wafer einem Gas ausgesetzt werden, das einen elektrisch aktiven Dotierstoff enthält, und die Oberflächen des Wafers werden mit Schichten beschichtet, die die Leistung der Zelle verbessern. Auch das Siebdrucken von Silbermetallisierungen für elektrische Kontakte ist bei Zelltypen weit verbreitet.

• Modulmontage – In einer Modulmontageanlage verbinden mit Lot plattierte Kupferbänder die silbernen Sammelschienen auf der Vorderseite einer Zelle mit der Rückseite einer benachbarten Zelle in einem Prozess, der als „Tabbing and Stringing“ bekannt ist. Der miteinander verbundene Satz von Zellen ist mit der Vorderseite nach unten auf einer Glasscheibe angeordnet, die mit einer Schicht Polymerverkapselung bedeckt ist. Auf die nach unten gerichteten Zellen wird eine zweite Verkapselungsschicht gelegt, gefolgt von einer robusten Polymer-Rückschicht oder einem anderen Stück Glas. Der gesamte Materialstapel wird in einem Ofen laminiert, um das Modul wasserdicht zu machen, und dann mit einem Aluminiumrahmen, Kantenversiegelung und einer Anschlussdose ausgestattet, in der die Bänder mit Dioden verbunden sind, die einen Rückfluss von Elektrizität verhindern. Elektrische Kabel vom Anschlusskasten leiten den vom Modul erzeugten Strom zu einem benachbarten Modul oder zur Leistungselektronik des Systems.

Regalsysteme

• Die Stützkonstruktionen, die zur Unterstützung von PV-Modulen auf einem Dach oder auf einem Feld gebaut werden, werden üblicherweise als Regalsysteme bezeichnet. Die Herstellung von PV-Regalsystemen variiert erheblich, je nachdem, wo die Installation erfolgen soll. Bodenmontierte Regale bestehen aus Stahl, der zum Schutz vor Korrosion typischerweise beschichtet oder verzinkt ist und ein Betonfundament erfordert. Große bodenmontierte Systeme verwenden in der Regel einen einachsigen Nachführmechanismus, der dazu beiträgt, dass Solarmodule der Sonne folgen, während sie sich von Osten nach Westen bewegt. Für die Nachverfolgung sind mechanische Teile wie Motoren und Lager erforderlich. Es können auch stationäre Regale (sogenannte „fixe Neigung“) verwendet werden. Dachregale hängen von der Art des Daches ab. Für Flachdächer, wie sie auf großen Gewerbe- oder Industriegebäuden vorkommen, werden Stahlregale mit fester Neigung verwendet. Es wird üblicherweise an schweren Blöcken befestigt, die auf dem Dach sitzen. Bei geneigten Wohndächern sind die Gestelle so konzipiert, dass sie sicher an den Sparren befestigt werden und die Module einige Zentimeter über dem Dach halten. Dadurch kann der Luftstrom die Rückseite der Module kühlen und so deren Leistung verbessern.

Leistungselektronik

• Die Leistungselektronik für PV-Module, einschließlich Leistungsoptimierer und Wechselrichter, wird auf elektronischen Leiterplatten montiert. Diese Hardware wandelt Gleichstrom (DC), den ein Solarpanel erzeugt, in Wechselstrom (AC) um, den das Stromnetz nutzt. Erfahren Sie mehr über die Funktionsweise von Wechselrichtern.

• Der Zusammenbau beginnt mit einer Leiterplattenschablone. Eine Lotpaste wird dort gedruckt, wo kleine Komponenten wie Transistoren und Dioden mithilfe von Robotern platziert werden. Manchmal werden größere Bauteile wie Kondensatoren und Transformatoren von Hand auf der Platine platziert. Sobald alle Komponenten vorhanden sind, durchläuft die Platine ein Lötbad in einem Ofen, um die Komponenten zu verbinden. Die gesamte Platine ist mit Lack beschichtet und in einem wasserdichten Gehäuse mit Anschlüssen für externe Anschlüsse versiegelt