Automatisiertes Schweißen steigert die Effizienz der PV-Modulherstellung

Bei der Herstellung von Photovoltaikmodulen ist das Verschweisssen der Zellen (auch bekannt als Busbar-Schweissen oder -Verbindung) ein kritischer Prozess, der sich direkt auf die Modulleistung, Zuverlässigkeit und die Produktionskosten auswirkt. Dieser wesentliche Schritt folgt dem Zellstring-Löten und dient dazu, mehrere Zellstrings über leitfähige Bänder zu verbinden, wodurch ein vollständiger elektrischer Stromkreis entsteht, der in der Lage ist, Leistung abzugeben. Mit dem Fortschritt der Photovoltaiktechnologie – insbesondere mit der anhaltenden Reduzierung der Wafer- und Zellstärke – steht das Verschweissen der Zellen vor wachsenden Herausforderungen. Dieser Artikel untersucht die Notwendigkeit, die Funktionsprinzipien, die Vorteile und die potenziellen Herausforderungen des automatisierten Verschweissens von Zellen in der Photovoltaikherstellung.

Stellen Sie sich vor, Sie handhaben Siliziumwafer, die so empfindlich sind wie Zikadenflügel – bei denen schon die geringste Fehlbehandlung zu Brüchen führen könnte. Dies stellt die aktuelle Realität der Photovoltaikherstellung dar. Da die Industrie weiterhin die Wafer- und Zellstärke reduziert, um die Produktionskosten zu senken, ist der Schweissprozess immer präziser geworden. Schon geringfügige Temperaturschwankungen können Mikrorisse verursachen, die die langfristige Zuverlässigkeit beeinträchtigen. Darüber hinaus erhöht die wachsende Anzahl von Busbars auf Solarzellen die Schweisspunkte, was eine höhere Effizienz und Konsistenz erfordert. Manuelles Schweissen kann die Anforderungen der modernen gross angelegten Photovoltaikproduktion nicht mehr erfüllen, was die automatisierte Verschweisstechnologie unerlässlich macht.

Das Verschweissen von Photovoltaikmodulen dient als entscheidender Herstellungsschritt, bei dem Zellstrings von Tabber-Stringer-Maschinen unter Verwendung von leitfähigen Bändern (typischerweise verzinnten Kupferstreifen) verbunden werden, um Parallelschaltungen zu bilden. Dieser Prozess sammelt den von Solarzellen erzeugten Strom und leitet ihn durch Anschlusskästen. Die Qualität des Verschweissens wirkt sich direkt auf die Leistung, den Wirkungsgrad und die langfristige Zuverlässigkeit eines Moduls aus.

• Stromsammlung: Verbindungsbänder aggregieren Strom von einzelnen Zellen zu nutzbarer Leistung.
• Schaltungsbildung: Bänder verbinden Zellen in Reihe oder parallel, um elektrische Stromkreise zu vervollständigen.
• Leistungsabgabe: Dieser Prozess ermöglicht die Leistungsabgabefähigkeit des Moduls.
• Zuverlässigkeitssicherung: Hochwertige Verbindungen gewährleisten eine langfristige elektrische Konnektivität und verhindern Leistungsverluste durch schlechte Schweissnähte.

Ein standardmässiger Verschweiss-Workflow umfasst:

• Zellstring-Vorbereitung: Positionieren von Tabbed-Zellstrings auf Arbeitsstationen.
• Bandvorbereitung: Zuschneiden von Bändern auf die erforderlichen Längen und Mengen gemäss Designspezifikationen.
• Flussmittelauftrag: Beschichten von Zellbusbars und Bändern mit Flussmittel zur Verbesserung der Schweissqualität.
• Bandplatzierung: Präzises Ausrichten der Bänder auf den Zellbusbars.
• Schweissen: Verbinden von Bändern mit Busbars unter Verwendung von Wärme (Infrarot, Induktion usw.).
• Abkühlen: Abkühlen der Module nach dem Schweissen.
• Inspektion: Überprüfen der Schweissqualität und Zuverlässigkeit.

Zu den wichtigsten Materialien gehören:

• Bänder: Typischerweise verzinnte Kupferstreifen mit ausgezeichneter Leitfähigkeit und Lötbarkeit, dimensioniert gemäss Designanforderungen.
• Flussmittel: Entfernt Oberflächenoxide während des Schweissens; die Auswahl berücksichtigt Aktivität, Rückstandskorrosivität und Umweltverträglichkeit.
• Lot: Verbindet Bänder mit Busbars; gängige Legierungen sind Zinn-Blei, Zinn-Silber und Zinn-Kupfer.

Im Vergleich zum manuellen Schweissen bietet die Automatisierung erhebliche Vorteile:

Automatisierte Systeme ermöglichen eine kontinuierliche Hochgeschwindigkeitsproduktion und verkürzen die Zykluszeiten drastisch. Moderne automatische Schweissgeräte erledigen ein Modul typischerweise in 30 Sekunden – im Vergleich zu 3-4 Minuten manuell – und steigern so die Ausgabekapazität.

Die Automatisierung steuert Temperatur, Druck und Dauer präzise und gewährleistet so die Konsistenz. Die menschliche Variabilität des manuellen Schweissens führt oft zu Fehlern wie kalten Lötstellen, während die Automatisierung solche Probleme minimiert und die Ausbeute verbessert.

Trotz höherer Anfangsinvestitionen senkt die Automatisierung die langfristigen Kosten durch Arbeitsreduzierung, Materialeffizienz und Produktivitätssteigerungen. Sie verringert auch Nacharbeiten und Ausschuss durch Schweissfehler.

Die Automatisierung eliminiert sich wiederholende manuelle Aufgaben und reduziert gleichzeitig die Exposition der Arbeiter gegenüber Lötdämpfen durch integrierte Absaugsysteme.

Das automatisierte Schweissen produziert zuverlässigere Module und erhöht die Wettbewerbsfähigkeit auf dem Markt – ein entscheidender Faktor in der heutigen anspruchsvollen Photovoltaikindustrie.

Standardsysteme umfassen:

• Materialhandhabung: Automatisches Laden/Entladen von Zellstrings und Bändern.
• Bandverarbeitung: Schneiden, Biegen und Positionieren von Bändern.
• Schweissmodule: Verwendung von Infrarot-, Induktions-, Laser- oder Heissluftmethoden.
• Steuerungssysteme: Verwalten von Parametern, Prozessüberwachung und -diagnose.
• Sichtprüfung: Überprüfen der Schweissposition, -form und -integrität.

Der automatisierte Workflow beinhaltet:

1. Laden von Zellstrings und Bändern
2. Vorbereiten von Bändern (Schneiden/Biegen)
3. Auftragen von Flussmittel
4. Ausführen von Schweissungen
5. Kühlen von Modulen
6. Überprüfen der Schweissnähte
7. Entladen der fertigen Module

Verwendet Infrarotstrahlung für gleichmässiges, kontrollierbares Erhitzen – obwohl es relativ energieintensiv ist.

Verwendet elektromagnetische Induktion für schnelles, effizientes Erhitzen – erfordert anspruchsvolle Geräte.

Liefert präzises, lokalisiertes Erhitzen mit minimaler thermischer Auswirkung – höhere Geräteausgaben.

Einfacher und kostengünstiger, erzeugt aber Schweissnähte von geringerer Qualität.

Die Geräteauswahl sollte Folgendes berücksichtigen:

• Modulabmessungen
• Zelltechnologie (Mono-/Polykristallin, PERC usw.)
• Kompromisse bei der Schweissmethode
• Produktionsvolumenanforderungen
• Erforderlicher Automatisierungsgrad

Moderne Systeme berücksichtigen verschiedene Zellgrössen (M6, M10, G12), wobei fortschrittliche Modelle flexible Produktionslinienwechsel ermöglichen.

Das automatisierte Verschweissen dient jetzt:

• Grossen Herstellern, die vollautomatische Linien implementieren
• Mittelgrossen Herstellern, die halbautomatische Lösungen einsetzen
• F&E-Einrichtungen, die neue Materialien und Prozesse entwickeln

Zukünftige Trends umfassen:

• Smarte Systeme: Selbstoptimierende Parameter und Ferndiagnose
• Flexible Fertigung: Schnelle Anpassung an neue Zelldesigns
• Höhere Effizienz: Weitere Produktivitätssteigerungen und Kostensenkungen
• Integrierte Produktion: Nahtlose Konnektivität mit anderen Fertigungssystemen

Während einige kleine Hersteller und Labore immer noch manuelle Methoden anwenden, bleiben erhebliche Nachteile bestehen:

• Geringer Durchsatz, der für die Massenproduktion ungeeignet ist
• Inkonsistente Qualität aufgrund menschlicher Variabilität
• Hohe Arbeitskosten
• Ungesunde Arbeitsbedingungen

Mit dem Fortschritt der Photovoltaiktechnologie – insbesondere in Richtung dünnerer Wafer – ist das automatisierte Verschweissen für die Herstellung von Hochleistungs- und zuverlässigen Solarmodulen unerlässlich geworden. Durch die Verbesserung der Effizienz, Qualität und Wirtschaftlichkeit bei gleichzeitiger Verbesserung der Arbeitssicherheit stellt diese Technologie einen strategischen Vorteil in der wettbewerbsintensiven Solarindustrie dar. Zukünftige Fortschritte in intelligenten, flexiblen und integrierten Schweisssystemen werden die Photovoltaik-Fertigungskapazitäten weiter stärken.

Hersteller sollten Folgendes bewerten:

• Geräteauswahl basierend auf technischen Anforderungen
• Technische Expertise für Systembetrieb und -wartung
• Analyse der Kapitalrendite

Empfohlene Schritte umfassen gründliche Marktforschung, die Zusammenarbeit mit renommierten Lieferanten, Schulungsprogramme für Bediener und die Implementierung robuster Qualitätsmanagementsysteme, um eine erfolgreiche Automatisierung zu gewährleisten.