Die Exxosqel GmbH und das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP haben gemeinsam ein Glas-Glas-PV-Modul mit jeweils nur 1 mm starkem Front- und Rückglas 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 gebäudeintegrierte Photovoltaik.
Warum dünneres Glas bislang an Grenzen stößt
Dünnere Gläser sind in der Photovoltaik-Industrie ein naheliegender Ansatz, um Materialverbrauch, Modulgewicht und damit Transport- sowie Handhabungsaufwand zu reduzieren. Sie weisen jedoch üblicherweise eine geringere mechanische Belastbarkeit und Steifigkeit auf. Insbesondere bei Hagel und anderen extremen Witterungsereignissen muss das Frontglas seine Schutzfunktion für die darunterliegenden Modulkomponenten erhalten. Gefragt sind daher Lösungen, die geringere Glasdicken mit hoher Robustheit verbinden.
Das Fraunhofer CSP und Exxosqel haben hierfür den Prototyp eines Glas-Glas-Moduls im Format 300 × 200 mm mit 1 mm dickem Front- und Rückglas entwickelt. Das Modul nutzt etablierte Verkapselungsmaterialien und seriell verschaltete Viertelzellen aus bifazialen M6-PERC-Zellen mit 9 Busbars; jede Viertelzelle liefert rund 1,58 W.
Fraunhofer CSP
Wie die Beschichtung das Glas verstärkt
Kern der Entwicklung ist eine mehrkomponentige, reaktive Oberflächenbehandlung, die direkt auf das Glas aufgebracht wird. Sie reagiert mit Hydroxylgruppen auf den Glasoberflächen, die durch Mikrorisse gekennzeichnet sind. Diese entstehen während der Heißformgebung und Abkühlung. Die Beschichtung bildet kovalente Bindungen mit der Glasmatrix aus und verstärkt die Oberfläche durch die so entstehende „Brückenbildung“. Ihre optischen Eigenschaften sind auf das Glas abgestimmt, sodass Wirkungsgradverluste gering bleiben.
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 dabei 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 in weiteren Tests nachgewiesen werden.
Vom Glasprobenversuch zum Modulverbund
Für die Umsetzung brachte das Fraunhofer CSP insbesondere seine Kompetenz in der PV-Modulintegration ein: bei der Auswahl und Verschaltung der Zellen, beim Einsatz geeigneter Verkapselungsmaterialien sowie bei der Anpassung der Laminierparameter an das Dünnglas. Damit konnte die Beschichtung im Modulverbund und nicht nur 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 und bei 1-mm-Glas von 184 auf bis zu 1.348 MPa. Die Werte beziehen sich auf Glasproben und belegen noch nicht 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 %; zudem könnten Energiebedarf und CO₂-Emissionen der Materialbereitstellung sinken“, sagt Thomas C. Sauer, Geschäftsführer von Exxosqel. „Die Beschichtung lässt sich dabei auch in bestehende Glasherstellungs- oder Veredelungsprozesse integrieren.“
Übertragung auf großformatige Module: Als nächste Entwicklungsschritte stehen die Übertragung auf großformatige Module und Prüfungen der Hagelbeständigkeit an. Perspektiven sieht das Projektteam insbesondere bei leichten Moduldesigns, bedruckten Frontgläsern und der gebäudeintegrierten Photovoltaik.
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