Sie ist in der Regel unsichtbar, spielt jedoch eine Schlüsselrolle bei der Verlängerung der Lebensdauer von Solarmodulen und sichert Investoren ansehnliche Gewinne: Die Rede ist von der Verkapselung, dem dünnen Gewand, das Solarzellen vor Umweltfaktoren wie Hitze und Feuchtigkeit schützt und mechanische Defekte verhindert. Von zunehmendem Interesse ist das Thema auch für Materialhersteller, die nach einem Anteil am wachsenden Solarmarkt streben. So kaufte Solutia beispielsweise kürzlich für 294 Millionen Dollar Etimex Solar, um Ethylenvinylacetat-Folien (EVA) ins Angebot aufzunehmen. Dow Corning und Wacker starteten im letzten Herbst neue Produktlinien, was auf eine Wiederbelebung von Silikon-Gießharzen als bevorzugtem Verkapselungsstoff hindeutet. Dupont wiederum führte im letzten Jahr sowohl Polyvinylbutyral- (PVB-) als auch Ionomer-Verkapselungen ein. Das Unternehmen teilte mit, dass insbesondere sein Ionomer-Produkt robuster und für gebäudeintegrierte Photovoltaikprodukte die bessere Wahl sei.
Der heutige Solarmarkt stellt für eine Industrie, die in den 1950ern mit der Herstellung von kommerziellen Solarzellen begann, eine wahre Renaissance dar, auch wenn wissenschaftliche Literatur über Modultests bereits in der Mitte
der 1970er Jahre vermehrt herausgegeben wurde. In den Anfangsjahren war EVA noch nicht so dominant wie heute. Silikon war es. Ein von der US-Regierung gefördertes Programm hat EVA schließlich als bessere und – wohl noch wichtiger – billigere Alternative zu Silikon und PVB gepriesen. Die Verkapselung von EVA, PVB und Ionomeren hat Folienform. Dahingegen wird Silikon als Folie oder Gel angewandt. „Bis 2006 war der Markt so klein, dass keiner um die Einführung einer Alternative bemüht war. Inzwischen ist der Markt größer geworden. Infolgedessen sind einige Firmen bemüht, verschiedene Produkte auf den Markt zu bringen“, so Michael Kempe, leitender Wissenschaftler beim National Renewable Energy Laboratory in den USA.
Es wird nicht einfach sein, EVA von seiner dominanten Marktposition zu verdrängen. Einige der weltgrößten Modulhersteller benutzen das Material bereits seit Jahren und unterhalten seit langem Beziehungen zu Lieferanten. Das US-Unternehmen Special Technology Resources (STR), einer der größten Hersteller für EVA-Verkapselung, verkauft an einige der weltweit wichtigsten Hersteller von Solarmodulen, darunter First Solar und Sunpower. In der ersten Hälfte dieses Jahres steigerte STR seine Verkäufe von Verkapselungsmaterial am wichtigen Produktionsstandort Asien im Vergleich zum selben Vorjahreszeitraum um 73 Prozent, wie das Unternehmen in seinem vierteljährlichen Bericht der United States Securities and Exchange Commission mitteilte. 2009 entfielen auf First Solar 27,1 Prozent der Verkapselungsverkäufe von STR.
EVA dominiert den Markt
Wenn es schwierig ist, Hersteller von kristallinen Siliziummodulen von EVA abzubringen, wäre es vielleicht ein schlauer Zug, mit den Herstellern von Dünnschichtmodulen neue Unternehmen zu gewinnen. Darauf bauten wohl Hersteller von Verkapselungen ohne EVA, als sie sich in den letzten Jahren an die Vermarktung ihrer Produkte machten. Der für Dünnschichtmodule erwartete deutliche Einschnitt beim Marktanteil – wie von Branchenanalysten vor der Rezession vorhergesagt – hat sich bisher nicht gezeigt. Der starke Fall der Siliziumpreise hat kristalline Siliziummodule lediglich günstiger und attraktiver für Investoren gemacht, was auf Kosten der Dünnschichtmodule ging.
Um Modulhersteller von EVA-Folie wegzulocken, müssen Hersteller alternativer Verkapselungen den Preis von EVA erreichen oder noch darunterliegen. Und wenn die neuen Produkte preislich nicht mithalten können, dann müssten sie wenigstens überlegene Isolationseigenschaften bieten oder gar die allgemeinen Produktionskosten senken. Das sollte Grundvoraussetzung für Herausforderer wie Dow Corning und Wacker sein. Für Dupont ist es sicherlich eine Strategie, bei der man davon ausgeht, dass Verkapselungen sechs bis sieben Prozent der Modul-Produktionskosten ausmachen. Das US-Unternehmen hat durch den Verkauf des Harzes zur Produktion von EVA-Folien fast fünf Jahrzehnte lang zur Dominanz der EVA-Verkapselung beigetragen. Der Aufschwung des Solarmarkts, der vornehmlich durch Einspeisetarife in Deutschland und anderen europäischen Staaten begünstigt wurde, brachte Dupont dazu, auch Verkapselungen herzustellen. Es besteht kein Interesse an einer eigenen EVA-Folien-Produktion, weil man dadurch mit den eigenen Kunden konkurrieren müsste. Zudem gibt es bereits viele Verkäufer von EVA-Folien mit einer starken Marktposition, so Penny Perry, Managerin für globales Marketing und strategische Produktplanung für das Verkapselungsgeschäft von Dupont.
Somit ist Dupont im letzten Jahr mit Ionomer- und PVB-Verkapselungen in den Markt eingetaucht. Beide kommen bereits bei aufprall- und windresistentem Sicherheitsglas für Autos und Gebäude zum Einsatz und gelten als passendes Material für Module mit Glasbeschichtung. Das Ionomer-Material, ein Copolymer aus Ethylen-Methacrylsäure (die Methacryl-Säuregruppen wurden teilweise mit Natrium-Ionen neutralisiert), verspricht eine echte Herausforderung für EVA zu werden. Es bietet laut Dupont eine bessere Feuchtigkeitsbeständigkeit und elektrische Isolation als EVA oder PVB.
Das Ionomer-Material ist ebenso ziemlich UV-resistent, wobei das von Dupont angebotene PV5300 mit einem UV-Blocker hergestellt wird. Silikon indessen kann über einen längeren Zeitraum UV-Licht ausgesetzt sein und benötigt dafür keinen eingebauten UV-Schutz, so Dow Corning. Im Vergleich dazu ist die EVA-Verkapselung in der Regel mit einem UV-Blocker ausgestattet, damit sie mit der Zeit nicht gelb und brüchig wird. Die UV-Resistenz ist ein Verkaufsargument, weil Modulhersteller nach Möglichkeiten suchen, die Stromerzeugungsfähigkeit ihrer Zellen zu erhöhen, so die Hersteller.
Die Ionomer-Variante bietet noch andere Vorteile. Dupont entwickelt gegenwärtig Verkapselungs-Materialien ohne UV-Blocker. „Ionomere haben eine geringe Diffusität. Und sie halten die Feuchtigkeit besser ab. Deshalb stellen sie eine ernsthafte Konkurrenz zur Dünnschicht dar“, sagt Kempe. Dupont brüstet sich zudem damit, dass PV5300 fünfmal so robust und bis zu 100-mal so hart wie PVB sein kann. Das Unternehmen verkündete, dass Dachziegel der italienischen Firma System Photonics die Vorzüge des Ionomers exemplarisch darstellten. Die Ionomer-Verkapselung umhüllt die kristallinen Siliziumzellen an der Oberfläche der mit Glas bedeckten Keramikziegel. „Wir arbeiten derzeitig an Modifikationen des Ionomers und planen die Einführung zum Ende dieses Jahres“, so Perry. „Das Produkt, das wir im letzten Jahr herausbrachten, wurde auf Festigkeit optimiert. Jetzt arbeiten wir an der Optimierung anderer Eigenschaften.“
Welche Marketingstrategie verfolgt Dupont mit der PVB-Verkapselung, wenn das Unternehmen gleichzeitig das Ionomer-Produkt anpreist? Dupont und andere Verkapselungshersteller würden sagen, dass verschiedene Materialien ver schiedene Preismodelle ermöglichen und verschiedene von den Modulherstellern gewünschte Eigenschaften bieten. Einerseits ist die Ionomer-Verkapselung teurer als EVA. Dupont und seine Rivalen haben Mittel für die Entwicklung von PVB-Verkapselung bereitgestellt, weil die Hersteller von amorphen Siliziummodulen sie zur Untersuchung der Verwendung von PVB-Harz, das ein einfaches Zerspringen von Windschutzscheiben verhindert, aufgefordert hatten. Das Material hält auch Bauvorschriften stand, so Perry, was es attraktiv für Hersteller macht, die am Markt für gebäudeintegrierte Photovoltaiksysteme interessiert sind.
PVB mit langer Tradition
Da PVB seit langem als Zwischenschicht für Sicherheitsglas Anwendung findet – der Harz hat eine Geschichte von rund 80 Jahren – haben Modulhersteller in den frühen Jahren der Photovoltaikindustrie bereits PVB-Verkapselung verwendet. So haben G. R. Mon vom Jet Propulsion Laboratory (JPL) und R. G. Ross Jr. vom California Institute of Technology bereits 1985 einen Artikel zum Leistungsvergleich von EVA- und PVB-Verkapselung für amorphe Siliziummodule mit dem Titel „Electrochemical Degradation of Amorphous-Silicon Photovoltaic Modules“ (Elektrochemischer Abbau von amorphen Silizium-Photovoltaikmodulen) verfasst. Die US-Regierung hatte die Forschung am JPL gefördert, um die Herstellungskosten zu senken, die in den 1970ern bei 200 Dollar pro Watt lagen, so Kempe.
Das Papier untersuchte die Module, nachdem sie in einer kontrollierten Umgebung mehr als 1.200 Stunden einer Temperatur von 85 Grad Celsius und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85 Prozent ausgesetzt waren. Die Forscher bemerkten, dass PVB mehr leitete, was zu mehr Leckstrom in den Modulen führte. Diese frühen Untersuchungen auf der Suche nach einem Verkapselungsmaterial mit den gewünschten physikalischen Eigenschaften und einem niedrigen Preis waren der Hauptgrund für den Vorsprung von EVA als passender Ersatz für Silikon und PVB in den 1970ern und 1980ern. Hersteller von PVB-Produkten würden argumentieren, dass das Material für Solarmodule damals noch nicht die richtige Struktur hatte.
Christopher Reed, Leiter des Photovoltaikgeschäfts von Solutia, sagt, dass sein Unternehmen, das zu Monsanto gehörte, vor mehreren Jahrzehnten nicht am Solarmarkt interessiert war, weil er zu klein war. Seitdem hat Solutia die Zusammensetzung von PVB für Auto- und Bauglas verbessert und begann 2008, besseres Isolierungsmaterial für den Solarbetrieb zu entwickeln, sagt Reed. Inzwischen hat das Unternehmen vier PVB-Verkapselungsprodukte auf den Markt gebracht, die sich durch die Menge des verwendeten Materials und die Biegsamkeit der Folie während des Laminierprozesses unterscheiden. Solutia hat sich zudem mit Oerlikon Solar zusammengetan, um für Saflex Radiant White PA27, eine weiße Verkapselung, zu werben. Die Verkapselung wird auf der Rückseite der Zellen angebracht, und die Farbe trägt zu einer Erhöhung des Zellenwirkungsgrads durch die Lichtreflexion bei, so Reed. Solutia habe von den Kunden außerdem die Rückmeldung erhalten, dass der Wirkungsgrad um einen Prozentpunkt gestiegen sei.
„Jedes neue Material wird auf Finanzierbarkeit hin geprüft. EVA und PVB werden bereits seit langem benutzt, weshalb sie den Kunden lieber sind“, sagt Reed. Nun hat Solutia durch die Übernahme des bedeutenden EVA-Verkapselungslieferanten Etimex an Wettbewerbsfähigkeit zugelegt und wird damit STR gefährlich. Zudem ist Oerlikon mit Dupont eine Partnerschaft eingegangen für ein ähnliches Projekt, das PV5200. Auch Dupont hat eine weiße PVB-Verkapselung für Multi-Junction-Module aus amorphem Silizium von Oerlikon entworfen. Je nachdem, wer gefragt wird, ist PVB vergleichbar teuer oder teurer als EVA.
Verkapselung mit Sonnenschutz
EVA hat sich auch über die vergangenen drei Jahrzehnte verbessert und ist zum Teil wegen seiner weichen und biegsamen Eigenschaften bei einer großen Temperaturspanne begehrt. Somit wird kein unnötiger Druck auf die Silizium-Halbleiter ausgeübt, wenn es sich während heißer und kalter Tage ausdehnt beziehungsweise zusammenzieht. Es zeigt jedoch eine bedeutende Schwachstelle bei direkter Sonneneinstrahlung. Die Verkapselung wird gelb oder braun, was Fragen bezüglich Wirkungsgrad und Lebensdauer aufwirft.
Hersteller von EVA-Verkapselungen mussten im Laufe der Jahre Veränderungen einführen, um den Abbau zu minimieren Die Hinzugabe eines UV-Blockers hat die Leistung des Materials erhöht, wie es in der 2008 erschienenen Publikation von C. R. Osterwald und T. J. McMahon heißt. Sie trägt den Namen „History of Accelerated and Qualification Testing of Terrestrial Photovoltaic Modules: A Literature Review“ (Geschichte beschleunigter Testverfahren und Qualifikationstests von terrestrischen Photovoltaikmodulen: Ein Literaturüberblick).
Einige Hersteller von kristallinen Siliziummodulen haben sich auch für die Verwendung von Cerium-haltigem Glas entschieden, um die Übertragung von UV-B-Licht zu blockieren, das zwischen 290 und 320 Nanometern liegt und tendenziell am schädlichsten für Polymere wie EVA ist, wie Kempe 2009 in einem Artikel mit dem Namen „Ultraviolet Light Test and Evaluation Methods for Encapsulants of Photovoltaic Modules“ (Ultravioletter Lichttest und Bewertungsverfahren für Verkapselungen von Photovoltaikmodulen) schrieb. In dem Artikel behandelte Kempe Daten und Berechnungen von Glasproben mit und ohne UV-Blocker sowie Verkapselungen, die EVA, PVB, Ionomere und Silikon beinhalteten. In den Proben verwendete er monokristalline Siliziumzellen.
Obwohl sich EVA als sehr beliebt erwiesen hat, bringt es andere Schwächen mit sich, die Modulhersteller zur Suche nach alternativen Verkapselungsmaterialien bewegen könnten. So bringt EVA etwa als Nebenprodukt Essigsäure hervor und ist weniger korrosionsbeständig als Materialien wie Silikon und Ionomere. Diese Wechselwirkungen rechtfertigen die Kosten womöglich nicht.
Kempe bemerkte, dass die Verwendung von Silikon, das UV-stabil ist (wodurch keine Notwendigkeit für einen UV-Blocker besteht), tatsächlich mehr Licht durchlassen kann. Der Anstieg betrug jedoch lediglich zwischen 0,6 und 0,7 Prozent. Bei einem Modul mit einem Wirkungsgrad von 15 Prozent liegt der Gewinn bei 0,9 Watt pro Quadratmeter. „Die längerfristige Stabilität von Silikonen und anderen Materialien kann zusätzliche Kosten für alternative Harze und/oder bessere EVA-Zusammensetzungen rechtfertigen helfen. EVA ist die von der PV-Industrie vorrangig eingesetzte Verkapselung, und das nicht, weil es sich um das beste Material handelt, sondern weil der Leistungsgewinn bei der Verwendung anderer Verkapselungen nicht den Kosten gerecht wird“, schrieb Kempe.
Das US-Unternehmen Dow Corning, das seit langer Zeit Silikon-Verkapselungen für eine breite Palette elektronischer Geräte herstellt, führte für Solarmodule eine neue Zusammensetzung ein, die im letzten Jahr auf den Markt kam – vom Unternehmen hergestelltes Silikon wurde in den 1970ern und frühen 1980ern für Photovoltaikverkapselungen verwendet. Die Silikon-Einkapselung von Dow zeichnet aus, dass das Material in Gel-Form vorliegt. Don Buchalski, leitender Marketingfachmann für Dows Solargeschäft, sagt, die Lösung PV6100 ermöglicht den Herstellern eine Senkung der Produktionskosten, weil die optimale Dicke der Module besser angepasst werden kann. Buchalski fügt hinzu, dass es schneller aushärten kann und die Laminierzeit reduziert. Im Vergleich: EVA benötigt zum Aushärten zwischen sieben und zwölf Minuten, während das Silikon von Dow 90 Sekunden benötigt.
Ein Standardlaminator kann gleichzeitig vier EVA-Module bearbeiten, wobei jeder Laminatorschritt 15 bis 20 Minuten in Anspruch nimmt (inklusive Schritte heizen und aushärten). Das ergibt eine tatsächliche Rate von einem Modul alle vier bis fünf Minuten.
Der Laminierprozess bei Silikonmodulen beträgt jedoch drei bis fünf Minuten, so Buchalski. Dows Verfahren sei jedoch linearer, weshalb man für einen genauen Vergleich berechnen müsse, in welcher Zeit ein Laminator vier Silikonmodule gleichzeitig verarbeiteten könne. Dows Antwort: ein Modul alle 45 bis 75 Sekunden. „In der Branche gibt es täglich viele neue Kapazitäten. Wenn Unternehmen EVAs mit Silikon vergleichen, werden sie sehr erfreut über die in Aussicht stehenden Gesamtbetriebskosten sein, und sie können die Module profitabler verkaufen“, sagt er.
Und natürlich preist Dow die UV-Stabilität von Silikon für kristalline Siliziummodule an. Der Effizienzgewinn kristalliner Siliziumzellen könnte sich laut Buchalski zwischen 0,5 und zwei Prozent bewegen. Bei amorphen Siliziummodulen, bei denen die Halbleiter auf das Glas aufgebracht werden, ist keine Verkapselung auf der sonnenzugewandten Seite der Zellen vonnöten. Dow hat seine Silikonlösung nicht für alle Dünnschichttechnologien getestet mit Ausnahme von amorphem Silizium. Die Verwendung von Gel anstelle von Folien erfordert jedoch eine speziell konstruierte Ausrüstung, um das Gel zu gießen und die Module zu laminieren. Buchalski wollte sich zu der Preisgestaltung der Verkapselung sowie zu den Namen von Kunden nicht äußern. Er erwartet, dass die Hersteller ab 2011 Module mit Silikon-Verkapselung auf den Markt bringen werden.
Gel statt Folien
Bisher hat Dow als einzigen Ausrüstungspartner Reis Robotic angegeben, das gut 50 Jahre Erfahrung in industrieller Automatisierung aufweist. Bei kristallinen Siliziummodulen pumpt und mixt die Ausrüstung von Reis das Silikonmaterial und gießt das Gel dann über Reihen von kugelschreibergroßen Düsen auf Glas, teilt Gard van Antwerp, Solar-Produktmanager bei Reis für Nord-Amerika, mit. In der Regel macht die Maschine vor dem Aushärtungsprozess zwei Durchgänge. Danach werden die Zellen mit der sonnenzugewandten Seite nach unten auf die Verkapselung aufgebracht. Im Anschluss wird über die Düsen eine Silikonschicht auf die Zellen aufgetragen. Nach Zugabe der äußeren Schicht wird das Modul laminiert. Das Gel zum Schutz der sonnenzugewandten Seite der Zellen härtet zu einer klebrigen Struktur aus, während das Gel auf der Rückseite hart wird, so van Antwerp. Neben der optisch klaren Verkapselung verkauft Dow auch die weiße Variante PV-6120 für Dünnschichtmodule. Wacker brachte im letzten Herbst eine Silikonelastomer-Verkapselung namens TECTOSIL heraus, die als flexible Folie vorliegt und nach Unternehmensangaben ohne Aushärten verarbeitet werden kann. Das Unternehmen behauptet zudem, bei Verwendung eines herkömmlichen Vakuumlaminators die Laminierzeit deutlich senken zu können, nämlich auf acht bis zwölf Minuten.
Da Silikon tendenziell teurer ist als andere Verkapselungsmaterialien, sind Unternehmen wie etwa Dupont skeptisch, ob Silikon eine große Anzahl von Kunden gewinnen kann. „Die Verwendung teurer Materialien wie Silikon ist nur dann nötig, wenn man UV-Licht nutzen möchte. Man muss abwägen, ob das Plus an Energie die hohen Kosten der PV-Verkapselung wert ist“, sagt Perry. „Wahrscheinlich stellt Silikon auf einem Teil des Marktes eine gute Lösung dar. Angesichts des Preises jedoch glaube ich nicht, dass es sich um einen großen Teil handelt.“
Im Gegensatz zu Dow gibt Wacker an, dass seine Verkapselung auch für den Schutz von Zellen aus Cadmiumtellurid und Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS) geeignet ist. CIGS ist besonders anfällig für Feuchtigkeit, und der Mangel an einer geeigneten Verkapselungstechnologie stand der Kommerzialisierung von flexiblen CIGS-Folien für gebäudeintegrierte Anwendungen bisher im Weg, sagt Paul Markowitz, Senior Analyst bei Nanomarkets. Die CIGS-Module, die heute die Fabriken verlassen, haben Glas als Extra-Isolation. „Wir brauchen einen Durchbruch von Dow Chemical, Dupont und anderen Unternehmen. Das Problem gibt es schon zu lange“, sagt Markowitz.
Im April letzten Jahres sagte Dupont voraus, dass der Verkapselungsmarkt in den kommenden fünf Jahren mindestens um 25 Prozent jährlich wachsen werde. Es ist nicht schwer, die optimistischen Marktaussichten zu erkennen. Jeder Versuch, EVA von seinem Thron in der Welt kristalliner Siliziummodule zu stürzen, wird jedoch schwierig sein. Bisher sind Erwartungen, dass Dünnschichttechnologien wie von First Solar für kristallines Silizium eine echte Gefahr darstellen würden, nicht wahr geworden. Die gute Nachricht ist jedoch, dass Modulhersteller mehr Auswahlmöglichkeiten denn je haben.
