Lösungen für die Energiewende
Von der einzelnen Zelle zum fertigen Solarmodul
In den deutschen Fabriken von Meyer Burger entsteht die Grundlage für die Umwandlung von Sonnenenergie in günstigen Strom: Solarzellen. Wie deren Produktion abläuft und wie daraus dann komplette Solarmodule gefertigt werden, erfahren Sie hier anschaulich in Wort und (bewegtem) Bild.
Als grüne Lösung des Energieproblems gilt mehr und mehr die Photovoltaik. Heute ist sie bereits die mit Abstand kostengünstigste sowie umwelt- und klimafreundlichste Technologie, um Strom zu generieren. Einer der aktivsten Player in dieser Branche ist Meyer Burger, ein Schweizer Unternehmen, das 1953 von zwei Maschinenbauingenieuren gegründet wurde.
Bereits in den 1980er-Jahren begann der Einstieg in die Solarindustrie zunächst mit der Entwicklung und Produktion von Diamantdrahtsägen, später mit der Herstellung von Präzisionsmaschinen für die Solarzellenproduktion. Die große Mehrheit der heute weltweit produzierten Solarmodule basiert auf Technologien, die aus dem Hause Meyer Burger stammen.
Mit der Transformation des Schweizer Traditionsunternehmens vom reinen Anlagen- und Technologieanbieter hin zum integrierten Hersteller von Solarzellen und Modulen beginnt eine neue Ära – die Renaissance der Solarindustrie in Europa, geprägt von Nachhaltigkeit, Innovation und Zukunftsfähigkeit. Im Mai 2021 wurde die Produktionsanlage von Heterojunction-Solarzellen im Solar Valley in Sachsen-Anhalt eröffnet, ebenso wie die Fertigung von hocheffizienten SmartWire-Modulen im sächsischen Freiberg. Die aktuelle Kapazität liegt an beiden Standorten bei jeweils 1,4 Gigawatt
Maschinen und Anlagen für die Solarindustrie
Dabei gibt es bei Meyer Burger nach wie vor einen Solar-Dreiklang: So werden im sächsischen Hohenstein-Ernstthal seit mehr als 20 Jahren Maschinen und Anlagen für die Solarindustrie produziert – seit 2020 in einem sogenannten Captive-Modell. Das heißt, die bei Meyer Burger produzierten Anlagen dienen nur noch zur Ausrüstung der eigenen Produktionsstandorte – aktuell in Sachsen-Anhalt und Sachsen, demnächst auch in den USA. Dutzende Hightech-Maschinen werden in den Werkhallen am Rande des Erzgebirges in hochpräziser Manufakturarbeit konstruiert und nach Fertigstellung ins Solarzellenwerk von Meyer Burger verschickt.
In der Halle mit 27.000 Quadratmetern befand sich schon zu Zeiten des Solarbooms ab 2010 eine Solarproduktion. Vor gut drei Jahren wurde sie wieder zum Leben erweckt – und seither werden hier hunderttausende Zellen pro Tag produziert. Sie sind der wichtigste Schritt im Produktionsprozess eines Solarmoduls. Im Solar Valley werden sie in spezielle Transportboxen verpackt und in regelmäßigen Abständen ins etwa 150 Kilometer entfernte sächsische Freiberg transportiert.
In der dort ansässigen Modulfabrik – aktuell die größte in Europa und ebenfalls von Meyer Burger Ende 2020 aus dem Dornröschenschlaf geweckt – startet dann die Produktion der Module. Über 1.000 Mitarbeiter stellen hier täglich Tausende Module pro Tag her – es handelt sich hier um schwarze und weiße Backsheet-Module mit hohen Wirkungsgraden und ästhetischem Design sowie um langlebige und bi-faziale Glas-Glas-Module.
Solarzellen auf der von Meyer Burger industrialisierten Heterojunction-Basis haben gegenüber herkömmlichen Zellen den Vorteil, dass sie mehr Sonnenlicht in Energie umwandeln können. Die von dem Unternehmen in der Schweiz entwickelte und patentgeschützte SmartWire-Verbindungstechnik erhöht dabei die Leistungsfähigkeit der Module zusätzlich und sorgt für eine überdurchschnittlich lange Lebensdauer. Darüber hinaus sind die Module im Vergleich zu Wettbewerbsprodukten komplett bleifrei, enthalten keine giftigen PFAS-Chemikalien und lassen sich zudem im Sinne der Kreislaufwirtschaft nahezu vollständig recyceln.
Wie ein Solarmodul entsteht
Das Ausgangsmaterial für die Herstellung von Siliziumsolarzellen ist Quarzsand, ein Siliziumoxid (SiO), das weltweit an sehr vielen Stellen vorkommt. In einem chemischen Prozess im Hochofen wird aus dem Quarzsand durch Reduktion metallurgisches Silizium hergestellt. Im nächsten Schritt, der ebenfalls sehr energieintensiv ist und daher in Deutschland und sogar in Europa nur noch ein einziges Mal vorhanden ist, wird das Rohsilizium in einem komplexen Verfahren in eine Gasphase überführt, gereinigt und anschließend an winzigen, im Reaktor zirkulierenden Siliziumförmchen abgeschieden. Es entsteht ein hochreines Siliziumgranulat, das dann wieder eingeschmolzen und dotiert wird.
Aus der Schmelze wird ein Einkristall in Säulenform gezogen. Dieser sogenannte Ingot hat ein durchgehendes einheitliches, homogenes Kristallgitter. Der runde Ingot wird anschließend in die Form eines Blocks (mit einer nahezu quadratischen Grundfläche) gesägt, dieser nennt sich Brick. Schließlich werden aus den Bricks mit hochpräzisen Drahtsägen hauchdünne Scheiben mit einer Dicke von 120 bis 210 Mikrometer geschnitten. Diese Scheiben nennen sich Wafer und sind der Ausgangsstoff für die Solarzellen. Der bisher beschriebene Teil der Wertschöpfungskette ist derzeit zu großen Teilen kaum noch außerhalb Asiens zu finden. Um Abhängigkeiten im Zuge der Energiewende zu vermeiden, setzt sich auch Meyer Burger für den Aufbau einer geschlossenen Rohstoffkette mit kurzen Wegen und sicheren Zulieferbedingungen ein.
Die Zellfertigung an sich besteht aus insgesamt vier Prozessschritten. Damit ist die Heterojunction-Technik insgesamt energie- und ressourcensparender, aber auch weniger raum- und materialintensiv als die in Asien weit verbreitetet PERC-Technik.
➔ Der erste Prozessschritt ist die Nasschemie. Hier werden die Wafer, die beim Sägen Oberflächendefekte erlitten haben, gereinigt und in diversen Säure- und Laugenbädern für die Beschichtungsprozesse aufbereitet. Zudem wird die Oberfläche der Wafer texturiert. Dadurch entsteht eine Pyramidenstruktur, die eine verbesserte Lichtaufnahme ermöglicht – um so viel Sonnenenergie wie möglich zu erzeugen.
➔ Der zweite Schritt ist die sogenannte PeCVD – ein spezieller Plasmaprozess (Plasma enhanced Chemical Vapor Deposition), bei dem Schichten aus amorphem Silizium auf der Vorder- und Rückseite des Wafers aufgebracht werden. In der anschließenden PVD-Anlage werden in einem speziellen Sputterprozess (Physical Vapour Deposition) transparente, leitfähige Oxidschichten auf der Vorder- und Rückseite des Wafers aufgebracht. Damit ist die Solarzelle praktisch fertig – aufgrund ihrer Beschaffenheit kann sie Strom generieren. Dieser muss jetzt nur noch abgenommen werden. Dazu werden mittels Siebdrucks elektrische Kontakte, bestehend aus einer leitfähigen Silberpaste, auf beide Seiten des Wafers aufgebracht.
➔ Im dritten Schritt werden die Zellen in speziellen von Meyer Burger entwickelten Öfen bei niedrigen Temperaturen um 200 °C getrocknet. Dann erfolgt das Schneiden der quadratischen Vollzellen mit einem speziellen Laser in je zwei Halbzellen, um später im Modul die Leitfähigkeit und damit die Leistung zu verbessern.
➔ Im abschließenden vierten Schritt werden die Zellen vermessen, mittels Elektrolumineszenzmessung auf Mikrorisse geprüft, nach Farbe und Wirkungsgrad sortiert und für den Weitertransport nach Freiberg vorbereitet und verpackt.
Vollautomatisierter Zusammenbau der Solarmodule
Der erste Schritt beim Bau der Solarmodule ist die Einfuhr der Glasscheibe, die das Modul später vor Regen, Wind und Hagel schützt und zur Sonne zeigt. Die Scheiben, die zum Teil aus Deutschlands einziger Solarglasfertigung in Brandenburg zu Meyer Burger kommen, werden von einem Roboter in die Produktion eingefahren. In einer Art Waschmaschine werden die Glasoberflächen gereinigt, anschließend wird ein QR-Code zur Nachverfolgung aufgebracht sowie die Einbettungsfolie aufgelegt.
Auf das Glas selbst werden vollautomatisiert Folien, Zellen und Backsheets nacheinander aufgelegt. Herzstück der Modulproduktion bei Meyer Burger sind die SmartWire-Maschinen, die in der Schweiz entwickelt und gebaut werden. Darin werden dünne Drähte mit einer Folie zu einer Folie-Draht-Elektrode verbunden. Danach kommt die Zusammenführung der aus Thalheim gelieferten Heterojunction-Solarzellen mit den Folie-Draht-Elektroden zu Zellstrings. Diese werden auf das Glas-Folie-Sandwich aufgelegt und mit Querverbindern elektrisch verschaltet – der Prozess nennt sich Layup.
Darauf folgt eine Prüfung des Matrix-Layup mit einer Elektrolumineszenzmessung. Auf das fertige Matrix-Layup werden wieder eine Einbettungsfolie und je nach Produkt eine Glasscheibe (Glas-Glas-Modul) oder Rückseitenfolie (Backsheet White oder Backsheet Black) aufgelegt. Nun ist das Modul komplett und fährt in die Laminierung. Ein Prozess, der in großen Anlagen unter Vakuum und erhöhter Temperatur (auch wie im Backofen) stattfindet. Im Anschluss an die Lamination wird die Rückseite des Moduls gereinigt, und schließlich kommt das Aufkleben der Anschlussdosen. Dann erfolgt im nächsten Schritt die robotergestützte Rahmung.
Bevor es an die Verpackung der Module geht, werden sie unter standardisierten Bedingungen gemessen und inspiziert. Die Leistungswerte des Moduls bringt ein Laser als Label auf den Rahmen auf. Auf Paletten zu je 30 Stück gehen sie dann direkt in alle Welt – auf Eigenheimdächer, Firmengebäude, Stadien und Parkplätze oder an Balkone.
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