Was passiert beim Laminieren?
Beim Laminieren wird der Zellverbund mit Hilfe von Kunststofffolien in einen wetterfesten Verbund unter Vakuum und Temperatur verbacken. Das ist für den Laien am besten mit einem Pizzaofen zu vergleichen, nur dass die Einbettungsmaterialien während des Laminationsprozesses aufschmelzen, dann die Solarzellen umschließen, die Luft durch die Vakuumerzeugung aus dem Modul herausgeführt wird und durch ein sanftes Anpressen ein glattes Modul entsteht.
Erst macht man einen Stapel, aus dem später das Modul wird. Was passiert mit diesem Stapel im Pizzaofen –Schritt für Schritt?
Die Glasscheibe liegt unten. Darauf liegt eine Einbettungsfolie, zum Beispiel eine EVA-Folie. Dann liegt der verlötete Zellverbund obendrauf. Dann kommt wieder eine Einbettungsfolie. Zuletzt eine Rückseitenfolie, die wetterfest ist, oder eine zweite Glasscheibe. Fertig ist das Modulsandwich. Dieses Sandwich wird dann automatisch in den Laminator eingefahren. Der Deckel schließt. Das Sandwich wird angehoben, um ein vorzeitiges Aufschmelzen der Folien zu verhindern.
Weil der Stapel von unten geheizt wird?
Ja, die Laminatoren sind beheizt, in der Regel durch eine Platte auf der unteren Seite. Mit einer Strom-, einer Öl- oder mit einer Hybridheizung werden die Module auf eine konstante Temperatur um die 140 Grad erhitzt und ausgebacken. Die kalten Module fahren ein, werden angehoben über kleine Stifte, so dass sie nicht direkt in Kontakt mit der heißen Platte kommen. Das ermöglicht eine längere Zeit zur Evakuierung dieses Laminationsraums, bei dem die Luft herausgeführt wird. Wenn dies erfolgt ist, werden diese Stifte abgesenkt, die Glasplatte liegt dann direkt auf der heißen Platte auf, erhitzt sich, und somit erhitzt sich auch die Einbettungsfolie.
Warum ist das so wichtig, dass der Laminationsraum evakuiert wird und die ganze Luft draußen ist?
Luft ist ein Gas. Gas dehnt sich bei Temperaturwechsel aus. Wenn Luft im Modul verbleiben würde, hätte man auf der Zellvorderseite Blasen, die zum einen das Licht nicht optimal durchlassen und die zum anderen auch thermisch arbeiten. Denn das Gas kann sich ausdehnen und zusammenziehen, wenn sich die Temperatur des Moduls ändert, und das kann zu einer Schädigung im Modul führen. Auch eine kleine Gasblase kann sich so im Laufe der Zeit vergrößern. Das kann zu elektrischen Kriechstrecken zwischen den Kontakten führen oder dazu, dass Feuchtigkeit eindringt.
Kommt es öfter vor, dass Luft zurückbleibt und die unerwünschten Blasen entstehen?
Es gibt sehr schnell reagierende Folien, die schon bei niedrigen Temperaturen aufschmelzen. Wenn sich bei solchen Folien das Modulsandwich zu schnell aufheizt, kann es passieren, dass Folien frühzeitig aufschmelzen, bevor die komplette Luft evakuiert wurde. Außerdem können Folien im Vakuum ausgasen. Die EVA-Folien enthalten reaktive Stoffe wie Peroxyde, die Gasblasen hinterlassen können.
Wenn ein Hersteller besonders schnell laminiert, um
Kosten zu sparen, geht er also das Risiko ein, Luftblasen
zu erzeugen?
Genau. Luft- oder Gasblasen. Ich kann durch eine Erhöhung der Temperatur in der Regel kürzere Prozesszeiten erreichen. Viele versuchen, mit sogenannten Fast-Cure- und Ultra-Fast-Cure-Folien, also schnell und sehr schnell vernetzenden Folien, kürzere Laminationszeiten zu erreichen. Dann muss man weniger Anlagen kaufen. Wenn diese Folien besonders schnell erhitzt werden, können solche Einschlüsse und Bläschen entstehen, besonders an einigen neuralgischen Stellen wie im Bereich der Anschlussdose, wo der Modulstapel noch mehr als die beschriebenen Lagen hat. Es liegen dort nicht fünf, sondern sieben oder acht Lagen übereinander. In diesem Bereich bilden sich gerne Blasen.
Kann das der Kunde oder der Installateur einem Modul ansehen?
Als Kunde erkenne ich nur die Blasen, die auf der Vorderseite des Moduls sichtbar werden. Die Rückseiten der Zellen und besonders die Rückseiten unter der Anschlussdose sind nicht zu erkennen. Das geht, wenn überhaupt, nur direkt im Produktionsprozess.
Wie kontrolliert man die Module von der Glasseite?
Es gibt Möglichkeiten, solche Module zu kontrollieren, indem man sich Vergrößerungsgläser mit dem Faktor zehn oder 20 nimmt und sich die Zellkanten und die Zellzwischenräume mit den Zellverbindern und auch den Bereich, wo die Dose montiert ist, genauer anschaut. Manchmal kann man vereinzelt kleine Blasen erkennen, die aber in der Regel nicht zu späteren Problemen führen. Sie geben aber einen Hinweis darauf, wie gut die Prozess- und Qualitätskontrolle beim Lieferanten funktioniert. Einzelne Blasen sollten keinesfalls größer als ein Quadratmillimeter sein. Auch sollten bei einem Modul nicht mehr als maximal vier bis fünf Blasen überhaupt sichtbar sein.
Noch mal zurück zu dem, was in dem Ofen wirklich passiert. Der Stapel mit Glas, Folien und Zellen wird heiß gemacht. Was passiert dadurch?
Man muss unterscheiden zwischen verschiedenen Folien. Es gibt zum einen die EVA-Folie, das steht für Ethylenvinylacetat-Folie. Das ist die hauptsächlich eingesetzte Folie. Diese Folien schmelzen auf, werden im Laminationsbereich flüssig und beginnen dann, eine chemische Vernetzung durchzuführen. Das heißt, sie bilden langkettige Polymere.
Das heißt, man hat erst kurze Ketten in den Folien und die werden zu längeren Ketten, die sich auch überkreuzen?
Genau. Die werden dann länger, und durch die höhere Vernetzung wird das Material fester. Die Vernetzung erfolgt nur zu einem bestimmten Teil des Einbettungsmaterials. Wie groß dieser Teil ist, kann mit dem Vernetzungsgrad bestimmt werden. Er sagt aus, wie viel von dem Material sich zu langkettigen Polymeren verbunden hat. Das ist wie bei einem engmaschigen Netz. Zwischen den Netzlöchern verbleibt weiterhin gelartiges Material. Dieser Vernetzungsgrad sollte je nach Hersteller um die 70 bis 80 Prozent liegen. Man kann ihn messen, indem man das Material wieder aus dem Modul extrahiert, über ein Verdünnungsmittel den noch unvernetzten Anteil auskocht und die Probe anschließend trocknet. Das Verhältnis der Anfangsprobe zum verbleibenden Rest bestimmt den Venetzungsgrad.
Ist es schädlich, wenn der Modulhersteller besonders lange laminiert und die Vernetzung zu hoch ist?
Wir wollen ja eine gewisse Elastizität im Modul erhalten. Ein Modul heizt sich im Alltagsbetrieb auf bis zu 80 Grad auf. Kupfer, Silizium und Glas im Modul haben unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten. Ein Kupferbändchen im Modul dehnt sich wesentlich mehr aus als die Glasscheibe. Wenn die EVA-Folie zu sehr durchgehärtet ist, wird sie zu spröde und es können feine Risse entstehen, durch die Feuchtigkeit eindringen kann. Oder die Bändchen lösen sich von den Solarzellen, weil sie von einer spröden Folie zu stark festgehalten werden. Die Elastizität der Folien sorgt dafür, dass sich die Materialien ausdehnen und zusammenziehen können, wenn sich im Lauf des Betriebes die Temperatur ändert.
Inwiefern ist es problematisch, dass sich das Glas im Laminator verbiegt?
Das Glas wird von der Heizplatte auf einer Seite stark erwärmt, und die andere Seite ist noch kühl. Das führt dazu, dass sich das Glas durchbiegt. Das passiert immer im Laminationsprozess. Man nennt das „Schüsseln“. Wenn es danach homogen warm ist, wird es wiedergerade. Dem Glas passiert dadurch nichts, das ist vorgespannt und kann noch deutlich mehr aushalten. Aber es kann dazu führen, dass während des Laminationsprozesses die Zellen verschoben werden. Das kann wiederum dazu führen, dass das Modul nicht mehr homogen aussieht und dass die Zellabstände nicht eingehalten werden. Falls die Zellen nicht zu stark aneinandegeschoben werden, hat dies für die Haltbarkeit keine weiteren negativen Auswirkungen.
Warum ist es so schwierig, die Prozessfenster für die Lamination richtig zu wählen, also die richtige Temperatur und die richtige Verweildauer im Laminator?
Eine EVA-Folie besteht aus einem Cocktail von verschiedenen chemischen Inhaltsstoffen. Dazu gehören nicht nur die Polymere, sondern zum Beispiel auch UV-Blocker, weil UV-Strahlung das Material im Laufe der Zeit zersetzt. Diese zersetzten Materialien dürfen in dem Modul wiederum nicht zu schädlichen Reaktionen führen. Deshalb sind zusätzlich Inhaltsstoffe drin, die die Zerfallsstoffe kompensieren. Dieser Cocktail muss über 20 oder 25 Jahre stabil bleiben. Die Hersteller versuchen natürlich, über eine Variation dieses Cocktails ihre Kosten weiter zu senken, was auch dazu führt, dass die Prozesse im Laminator gegebenenfalls angepasst werden müssen. Der Modulhersteller bekommt nicht unbedingt immer mit, ob er von seinem Zulieferer gleichbleibend gute Qualität geliefert bekommt.
Kann ein Modulhersteller, der viel Geld ausgibt, die Lamination besser kontrollieren als einer, der wenig Geld ausgibt?
Ja. Es gibt Marktführer, die überwachen die Temperatur der Heizfläche der Laminatoren sehr genau. Wenn die kalten Module eingefahren werden, dann kühlt sich die Heizplatte erst mal etwas ab und es muss nachgeheizt werden, so dass auf der gesamten Platte die Temperatur wieder sehr genau stimmt, in der Regel auf plus/minus ein Grad Celsius genau. Nur so ist eine kontinuierlich immer wiederkehrende reproduzierbare Prozesssicherheit gegeben. Es gibt aber andere Hersteller, die haben nur ein oder zwei Temperaturfühler für eine sechs Quadratmeter große Platte. Damit lässt sich natürlich nicht der ganze Prozessraum überwachen, und Temperaturdifferenzen bis zu zehn Grad sind bei Störungen durchaus möglich. Wenn zum Beispiel eine der vielen Heizzonen der Platte ausfällt, wird das gar nicht unbedingt detektiert. Die Laminatorkonzepte und die Hersteller unterscheiden sich sehr deutlich darin, wie viel Aufwand sie betreiben, um die gesamte Heizplatte homogen auf einer Temperatur zu halten, dieses abzufragen und genau zu kontrollieren.
Wenn die Temperatur nicht homogen ist, kann es im Prinzip passieren, dass das Modul an der einen Stelle vielleicht genau richtig vernetzt ist und an der anderen viel zu wenig. Haben Sie das schon gesehen?
Ja, das kann passieren. Wir haben das schon erlebt. Bei einem Kunden, er hatte ein sehr billiges Gerät, hat der Laminator auf zwei Dritteln der Fläche geheizt und auf einem Drittel nicht. Das hat dazu geführt, dass die Module in einem Klimakammertest auf einem Drittel delaminierten und auf den anderen zwei Dritteln nicht.
Wie merkt man es als Kunde, wenn man so ein Modul hat?
Als Kunde merkt man das in der Regel erst nach einigen Jahren, denn optisch sieht man es dem Modul nicht unbedingt an. Die Platte im Laminator ist ja nicht ganz kalt, auch wenn er nicht richtig funktioniert. Das heißt, das Modul wird fest laminiert und es löst sich nicht sofort etwas ab. Die Klebeeigenschaften sind gegeben, aber die Stabilität der Chemie in der Folie ist nicht gegeben, sie ist nicht wirklich ausgehärtet, sondern nur angehärtet mit einem Vernetzungsgrad von vielleicht 40 Prozent. Dann kann es passieren, dass Feuchtigkeit eintritt, sich die Folie langsam auflöst und sich ablöst.
Muss ein Investor oder Installateur dem Hersteller vertrauen oder wie kann er vorgehen, um gegebenenfalls eine schadhafte Laminierung zu bemerken?
Da Vernetzungsfehler mit dem bloßen Auge nicht zu erkennen sind, muss man als Kunde nicht ausschließlich darauf achten, ob das Produkt und der Hersteller eine Zertifizierung bekommen haben und diese jährlich überprüft wird. Gerade beim Bezug größerer Mengen ist es außerdem wichtig, darauf zu achten, was der Hersteller in seinem täglichen Arbeiten an Qualitätssicherungsmaßnahmen unternimmt, wie er die Lamination und die Materialien überprüft und in welchen Regelmäßigkeiten, mit welchen Mitteln und mit wie viel Manpower er die Produktion kontrolliert. Dafür sind Qualitäts- und Produktionsaudits zwingend notwendig.
Die sich ja nur große Investoren leisten können.
Die können sich größere Investoren sicher eher leisten. Die können sich aber auch Importeure leisten, die eine regelmäßige Kunden-Lieferanten-Beziehung aufbauen. Ein wichtiger Teil dieser Kunden-Lieferanten-Beziehung ist es, regelmäßig unabhängige Qualitäts-Audits durchzuführen. Um Kosten zu sparen, kann man ja auch externe Firmen wie zum Beispiel die Sunnyside upP zu Rate ziehen. Wir überprüfen, ob der Stand, der einmal erreicht wurde, auch im täglichen Produktionsprozess immer wieder kontrolliert und überprüft wird. Manchmal, muss man sagen, wissen auch die Modulhersteller nicht, ob ihre Lieferanten ihnen gleichbleibende Qualität liefern. Die Modulhersteller müssen deshalb auch einiges tun, um wiederum ihre Lieferanten zu auditieren – im Prinzip sollte man über die ganze Wertschöpfungskette hinweg lückenlos auditieren.
Sind alternative Folien besser?
TPU, PVB oder Silikon sind ebenfalls auf dem Markt. Bei TPU und PVB handelt es sich um sogenannte Thermoplaste. Die vernetzen nicht, sondern schmelzen unter Hitze einfach auf. Bei Abkühlun härten sie wieder aus. Dieser Prozess wäre im Prinzip beliebig oft wiederholbar. Sie sind in der Regel in der Verarbeitung deutlich einfacher – kosten aber mehr. Außerdem gibt es Unterschiede in ihren Eigenschaften gegenüber Feuchtigkeit und in ihren Isolationseigenschaften. Auch hier kann unsachgemäßer Umgang später zu Korrosion und Versagen im Modul führen.
Kann der Hersteller durch die einfachere Verarbeitung Kosten senken?
Erst mal nicht, weil man gute Verarbeitungsprozesse schließlich auch erlernen kann. Es ist mehr eine Frage des Risikomanagements, was für Vor- und Nachteile in dieser Langzeitstabilität liegen. Den Endkunden interessiert natürlich, dass ein Modul möglichst 30 oder 35 Jahre hält. Qualität fließt leider noch zu wenig in die Preisgestaltung ein. Es wird immer noch zu sehr auf den Kaufpreis pro Wattpeak geachtet. Der bestimmt im Prinzip die Wettbewerbsfähigkeit. Jeder Hersteller versucht daher, einen günstigen Preis zu ermöglichen, und manche setzen dabei eben auch auf minderwertigere Materialien.
Das Problem ist doch, dass man die längere Haltbarkeit nicht nachweisen kann, oder?
Genau. Sie ist für den Endkunden erst einmal nicht sichtbar. Zertifizierungen wie IEC oder UL geben zwar eine gute Grundsicherheit durch die Schnellalterungstests. Nur werden leider auch bei dem ein oder anderen Günstighersteller manche Materialien später einfach ausgetauscht und Garantie- und Gewährleistungsbedingungen vom Konkurrenten übernommen, ohne diese technisch ausreichend abzusichern. Mein Tipp an die Leser: Fragen Sie doch mal bei Ihrem Händler oder Lieferanten nach, wie er gute Qualität langfristig sicherstellt.
