Halbzellenmodule

Solarzellen werden immer effizienter und auch größer. Das hat zur Folge, dass die Ströme in der Zelle wachsen. Damit steigen aber auch die Verluste an den Übergängen (Verbindern), und die Zelle erwärmt sich stärker. Um diesem Trend entgegenzuwirken, werden die Vollzellen einfach in der Mitte mit einem Laser durchgeschnitten. Man spricht im Englischen deshalb von „Half Cut Cells“. Im Deutschen besteht für den Ausdruck Halbzellen eine Verwechslungsgefahr mit der Halbzelle als Bestandteil des galvanischen Elements, weshalb man hierzulande auch bevorzugt über Halbzellenmodule und nicht über die Zellen spricht.

Durch die Teilung der Vollzellen liefern die Solarmodule einen 2 bis 3 % größeren Solarertrag. Die Ursache für diesen scheinbar unlogischen Effekt liegt in der Senkung der Ströme in der Solarzelle. Wie in jedem elektrischen Leiter wird auch in der Solarzelle ein Teil des Stroms in Wärme umgewandelt – man spricht hier von einer Verlustleistung. Diese errechnet sich:

P _verlust = R * I ²

Durch die Halbierung der Solarzelle halbieren sich Widerstand (R) und Stromstärke (I), was eine deutlich geringere Verlustleistung der Halbzellen zur Folge hat. Da die beiden Halbzellen zusammen die gleiche Leistung wie eine Vollzelle haben, steigt bei geringerer Verlustleistung die nutzbare Leistung. Halbzellenmodule können also bei ansonsten identischem Aufbau mehr kWp bereitstellen als Vollzellenmodule. Die zusätzlichen Verbinder zwischen den beiden Halbzellen haben keinen nennenswerten Effekt auf die Leistung des Moduls.

Zur geringeren Verlustleistung kommt ein weiterer, wenn auch schwacher Vorteil: Durch die zusätzlichen Zwischenräume, die durch die Zellteilung entstehen, dringt mehr Sonnenlicht. Wird dieses Licht innerhalb des Moduls reflektiert und fällt wieder auf die Zellen, regt es die Elektronen an und kann so zusätzlichen Strom erzeugen. Ist die Rückseite der Halbzelle auch photoaktiv, wird dieser Effekt besonders deutlich. Man verwendet daher sinnvollerweise sogenannte bifaziale Halbzellen. Wird mehr von der einfallenden Sonnenenergie genutzt, erhöht sich auch wieder der Strom, in Summe erhöht sich aber die Modulleistung, trotz leicht steigender Verlustleistung. 

Theoretisch denkbar ist es, zerbrochene Zellen so zu beschneiden, dass Halbzellen entstehen. Effektiv ist das allerdings nicht: Die Herstellung der Halbzellen ist bis auf das Zerschneiden identisch mit der Herstellung von Vollzellen. Es handelt sich um einen hochautomatisierten Prozess, in den sich unterschiedlich gebrochene Zellen nur schwer einschleusen lassen. Zudem besteht die Gefahr, dass einmal gebrochene Zellen weitere Schädigungen aufweisen.

Dass Halbzellenmodule trotz eines zusätzlichen Produktionsschrittes – der Teilung – und der notwendigen zusätzlichen elektrischen Zellverbinder die Vollzellen zunehmend ersetzen, ist ein sogenannter Skalierungseffekt. Da immer mehr Hersteller auf die Halbzellen umstellen und immer größere Mengen herstellen, werden die Halbzellen immer billiger. Da Module mit höherer Leistung auch teurer verkauft werden können, fallen geringe Zusatzkosten kaum ins Gewicht. Eine Verlangsamung des vollautomatisierten Prozesses durch die Verwertung beschädigter Zellen würde diese Vorteile zunichtemachen.

Auch die Herstellung „halber“ Zellen oder die Mehrfachteilung von Normzellen wäre denkbar, allerdings sind beide Methoden in der Praxis zu teuer, da sie einen deutlichen Mehraufwand nach sich ziehen würden. Hinzu kommt, dass die Vorprodukte der Zellenproduktion für monokristalline Zellen (Ingots) das Format der Vollzellen haben, weshalb das Zerschneiden besonders effektiv ist. Bei polykristallinen Siliziumblöcken wäre eine andere Teilung möglich, aber extrem aufwändig.

Am auffälligsten ist die optische Veränderung: Während bei den Vollzellenmodulen die komplette Zelle mit den typischen abgeschnittenen Ecken das Erscheinungsbild dominiert, sind die Halbzellen häufig so angeordnet, dass innerhalb eines Strings die Schnittkanten alle in die gleiche Richtung weisen. Dadurch wirken die Zellen auf dem Modul kompakter. Man spricht hier von „Traktor-Optik“. Daneben gibt es aber auch Halbzellenmodule in Vollzellen-Optik, bei denen die beiden Halbzellen mit der Schnittkante zueinander angeordnet werden.

Um mit dem zusätzlichen Platzbedarf durch die Teilung umzugehen, gibt es zwei Strategien – die Abstände zwischen den Zellen zu verkleinern oder die Module in Längsrichtung etwas größer als die gleichartigen Vollzellenmodule zu machen. Um den Effekt der Rückseitenreflektion zu nutzen, wählen die meisten Hersteller den Weg der (geringfügigen) Vergrößerung der Module.

Ströme und Spannungen sind bei beiden Varianten aber die gleichen wie bei den Vollzellenmodulen, weshalb keine Neuberechnungen bei der Auslegung einer Anlage erforderlich sind.

Ein weiterer Unterschied besteht darin, dass die Halbzellenmodule quasi zweigeteilt sind, es also ein „oberes“ und ein „unteres“ Teilmodul und Dank der Parallelschaltung dieser Teilmodule zwei Stromlaufpfade gibt. Diese werden elektrisch in der Mitte des Halbzellenmoduls wieder zusammengeführt. Dort befindet sich die dreiteilige Anschlussdose, die sich Dank geringerer Stromflüsse auch weniger erwärmt als die Anschlussdose, die bei Vollzellenmodulen zum Einsatz kommt. Der mittige Anschluss der Halbzellenmodule hat außer Änderungen beim Ablauf der Installation keine Auswirkungen auf die Anlage.

Direkte Vergleiche zwischen den Modulen verschiedener Hersteller und verschiedene Modultypen sind schwierig, auch weil es die Tendenz gibt, dass die Solarpaneele immer größer werden. Teilt man den Preis jedoch durch Leistung (in W_P) und die Fläche, ergibt sich ein Wert, der einen Vergleich ermöglicht. Hier zeigt sich, dass die Halbzellenmodule in der Anschaffung günstiger sind, zumindest aber gleichauf mit den herkömmlichen Modulen liegen.

Neben der höheren Leistung und dem tendenziell günstigeren Preis spricht auch das effizientere Verhalten bei Verschattung für die Halbzellenmodule. Da diese de facto aus zwei parallel geschalteten Modulen bestehen, kann ein Teilmodul auch dann die volle Leistung bringen, wenn das andere verschattet ist. Vollzellenmodule liefern hingegen bei typischen Verschattungssituationen nur noch wenig Strom.

Befürchtungen, dass Module mit Halbzellen aufgrund der Teilung der Zellen mehr Defekte aufweisen, sind unbegründet. Alle Module durchlaufen beim Hersteller die gleichen Elektrolumineszenz-Tests wie Vollzellenmodule. Mikrorisse werden hierbei erkannt und geschädigte Module aussortiert.