Neues standardisierbares Prüfverfahren für PV-Modul-Rückseitenfolien

Photovoltaik-Module sind auf eine Lebensdauer von 25 Jahren ausgerichtet. Doch bereits nach vier bis acht Jahren weisen viele Module erste Schädigungen auf. Dies betrifft insbesondere die Rückseitenfolien der Module. Das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP arbeitet zusammen mit vier anderen Forschungsinstituten an einem verbesserten Prüfverfahren für diese Rückseitenfolien. Materialien und Verarbeitung werden dabei bei realen Betriebsbedingungen im Feld getestet, um eine Lebensdauer von mehr als 20 Jahren sicherzustellen.

© Fraunhofer CSP
UV-Bestrahlung der Rückseite eines PV-Moduls über einen langen Zeitraum, um UV-induzierte Veränderungen an den Polymerrückseiten zu erwirken.
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Im ersten Halbjahr 2023 hatte Photovoltaik (PV) einen Anteil von gut 13 Prozent am im Deutschland erzeugten Strom. Doch die PV-Leistung muss weiter ausgebaut werden, wenn die Ziele der Bundesregierung, die Energieversorgung bis 2035 nahezu vollständig aus erneuerbaren Energien speisen zu lassen, realisiert werden sollen.

In diesem Zusammenhang stellt sich die Frage, wie die gegenwärtigen Photovoltaik-Module weiter verbessert werden können. Bisher ist die Lebenszeit eines Photovoltaik-Moduls auf 25 Jahre angelegt. Aktuelle Feldstudien zeigen jedoch bereits nach wenigen Jahren (4-8 Jahren) offensichtliche Substanzveränderungen, wie zum Beispiele Risse an den Rückseitenfolien der PV-Module oder Delaminierungen einzelner Schichten der Rückseitenfolien. Da diese Backsheets die Solarzelle vor Umwelteinflüssen wie Feuchtigkeit und anderen Schadstoffen schützen und der elektrischen Isolierung und mechanischen Stabilität dienen, sind solche Defekte mit Sicherheitsrisiken und Ertragseinbußen verbunden.

Rückseitenfolien werden aus unterschiedlichen Materialien wie Polyamiden, Polypropylen, Polyvinylidenfluoride oder auch Polyethylenterephthalate hergestellt und sind einer Kombination von Stressfaktoren ausgesetzt. So müssen sie Temperaturzyklen, Feuchtigkeit, Licht (hier vor allem dem UV-Anteil des Sonnenlichts) und anderen Einflüssen wie Salz, Staub oder auch hohen elektrischen Systemspannungen Stand halten. Die derzeit gängigen Prüfstandards decken diese Umweltbeanspruchungen nicht ausreichend ab.

Im gemeinsamen Projekt »PolymAERA« arbeitet ein Konsortium aus Forschungsinstituten, darunter auch das Fraunhofer CSP in Halle (Saale), daran, ein besseres Verständnis der Betriebsbedingungen, deren Wechselwirkungen mit dem Modul und den physikalisch-chemischen Degradationsprozessen zu gewinnen. Ziel des Projekts ist es, einen standardisierbaren und international akzeptierten Test zu entwickeln, der es ermöglicht, die Rückseitenfolieneignung und die Modultauglichkeit inklusive der Verarbeitung für eine Lebensdauer von mehr als 20 Jahren bei realen Betriebsbedingungen im Feld zu prüfen. Die erarbeiteten Tests und die Bewertung von Fehlerbildern werden dann in einem Ringversuch zwischen den Partnern und möglicherweise weiteren externen Partnern validiert, der auch Aufschluss über die Reproduzierbarkeit und Streuung zwischen Laboren geben soll. Abschließend sollen die gewonnenen Erkenntnisse in nationale und internationale Gremien zur Verbesserung der existierenden Standards eingebracht werden.

»Unser vorrangiges Ziel am Fraunhofer CSP ist die Erstellung einer Prüfmatrix zur Einfluss-Wirkanalyse von Testbedingungen und Materialveränderungen. Neben den klassischen Umweltbedingungen Feuchte, Temperatur und UV-Licht möchten wir den Einfluss der steigenden Systemspannungen, 1.500 Volt und eventuell höher, auf die Rückseitenfolien untersuchen. Vor dem Hintergrund des steigenden Marktanteils von bifazialen PV-Modulen berücksichtigen wir dabei auch speziell die optischen Eigenschaften und die Spannungsfestigkeit als Funktion der Alterung sowie den Einfluss der Rückseitenfolie auf z. B. die potentialinduzierte Degradation (PID) bei der Verwendung von bifazialen Zellen«, sagt Dr.-Ing. Bengt Jäckel, Gruppenleiter »Module, Komponenten und Fertigung« am Fraunhofer CSP.

Das Projekt wird im Rahmen der Förderrichtlinie WIPANO (Wissens- und Technologietransfer durch Patente und Normen) des Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz finanziert und hat eine Laufzeit von zwei Jahren. Projektpartner sind neben dem Fraunhofer CSP die Hochschule Anhalt, das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, das Helmholtz-Institut Erlangen-Nürnberg für Erneuerbare Energien sowie die Hanwha Q CELLS GmbH.

Simulation: Wie man gemeinsames Wissen für eine beschleunigte Entwicklung nutzen kann

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