de.wedoany.com-Bericht: Forscher des Korea Institute of Energy Research (KIER) haben ein geschindeltes Photovoltaikmodul entwickelt, das mit einem thermoelektrischen Generator (TEG) kombiniert werden kann, um eine effiziente PV-TEG-Abwärmerückgewinnung zu ermöglichen. Die Modularchitektur nutzt ein einzigartiges Design mit in Reihe geschalteten Streifen, um die Betriebsspannung zu erhöhen und gleichzeitig den Ausgangsstrom zu senken. Dadurch werden stromabhängige Widerstandsverluste und die Joulesche Wärme im TEG reduziert, die Stabilität des Füllfaktors verbessert und letztlich die Leistungsextraktionseffizienz des Hybridsystems gesteigert.
TEGs nutzen den Seebeck-Effekt, bei dem ein Temperaturunterschied zwischen zwei verschiedenen Halbleitern eine Spannungsdifferenz erzeugt, um Wärmeenergie in elektrische Energie umzuwandeln. Solche Geräte sind in der Industrie üblich, um Abwärme in Strom umzuwandeln, aber ihre hohen Kosten und die begrenzte Leistung schränken eine breitere Anwendung ein. Die geschindelte Zelltechnologie ersetzt die herkömmliche Verbindung mit Lötbändern durch eine direkte Reihenschaltung von Solarzellen-Streifen. Dies erhöht nicht nur die effektive Fläche für die Lichtabsorption, sondern reduziert auch thermische und mechanische Spannungen im Modul, was zu einer höheren Effizienz und langfristigen Zuverlässigkeit im Vergleich zu Standard-Verbindungsmethoden führt.
Bei der Modulherstellung verwendete das KIER-Team PERC-Solarzellen der südkoreanischen Firma Shinsung Engineering als Ausgangsmaterial. Die Zellen wurden zunächst mit einem 1064 nm Infrarotlaser in schmale Streifen geritzt und dann mechanisch gebrochen. Es wurden geschindelte Module mit drei, fünf oder sieben Zellstreifen mit einer effektiven Fläche von 100 cm² hergestellt; die Fläche des Moduls mit vierzehn Streifen wurde auf 170 cm² erhöht. Die Abmessungen der Zellstreifen variierten je nach Konfiguration: Bei den Modulen mit drei, fünf, sieben und vierzehn Streifen betrugen die Streifengrößen 100×38,83 mm, 100×21,70 mm, 100×16,07 mm bzw. 85×16,07 mm. Benachbarte Zellstreifen wurden mit dem leitfähigen Klebstoff CA 3556HF in Reihe verbunden und anschließend 1 Minute lang bei 180 °C unter Druck ausgehärtet, um eine feste Verbindung zu gewährleisten. An den Modulenden wurden Photovoltaik-Lötbänder für die externen elektrischen Kontakte angelötet. Abschließend erfolgte die Verkapselung mit einer Frontglasscheibe, einem Ethylen-Vinylacetat (EVA)-Einkapselungsmittel und einer Rückseitenfolie aus Polyethylenterephthalat (PET).
Die für die Tests verwendeten kommerziellen thermoelektrischen (TE)-Elemente wurden von dem chinesischen Unternehmen Xinrong geliefert. Die Forscher stellten aus 308 substratlosen Elementen ein TEG-Array mit einer Fläche von 100 cm² her, wobei die Zwischenräume mit einem Polymer gefüllt wurden, um mechanische Stabilität und Wärmeübertragung zu gewährleisten. Das Array wurde durch Siebdruck von Lot auf ein Polyimid-Substrat, Reflow-Löten und Entfernen des Substrats zur Freilegung der Elektroden hergestellt. Das hybride PV-TEG-System wurde in zwei Konfigurationen getestet: In der Zwei-Klemmen (2T)-Anordnung waren PV und TEG direkt in Reihe geschaltet, mit nur einem externen Kontaktpaar; in der Vier-Klemmen (4T)-Anordnung arbeiteten beide unabhängig voneinander, um die Serienwiderstandsverluste zu analysieren und zu vergleichen.
Ein maßgeschneiderter Versuchsaufbau verwendete einen transparenten Kupfernetz-Heizer oben und einen Kühler unten, um einen kontrollierten Temperaturgradienten anzulegen, während gleichzeitig eine standardisierte Sonneneinstrahlung übertragen wurde. Damit wurden präzise I-V-Kennlinien der PV-, TEG- und kombinierten Geräte aufgenommen. Hall-Effekt- und zeitabhängige Widerstandsmessungen dienten zur Bewertung des Transport- und Stabilitätsverhaltens der TE-Elemente. Das PV-Modul wurde mit einer Zwei-Dioden-Formel in Kombination mit den Gleichungen des thermoelektrischen Generators modelliert, gelöst durch eine Transformation basierend auf der Lambert-W-Funktion. Durch Anpassung der Modelldaten an die experimentellen Ergebnisse extrahierten die Forscher Schlüsselparameter wie den effektiven TEG-Widerstand und quantifizierten die Leistungsverluste im 2T-Betrieb.
Die Messergebnisse zeigten, dass die Minimierung des PV-Stroms und die Erhöhung der Spannung die Auswirkungen des TEG-Widerstands auf die Leistung signifikant reduzieren, wobei das geschindelte PV-Modul hier besonders effektiv war. Die thermische Analyse ergab, dass der durch die PV angetriebene Strom im TEG Peltier-Kühlung oder -Erwärmung sowie Joulesche Wärme verursacht, was dessen effektiven Widerstand im Laufe der Zeit erhöht. Gleichzeitig bestätigte die lineare Korrelation zwischen Strom und Temperaturgradient die Kopplung von elektrischem Transport und thermoelektrischem Wärmeaustausch. Ein validiertes numerisches Modell prognostizierte, dass ein Design mit niedrigem Strom und hoher Spannung die Leistungsverluste auf nahezu Null reduzieren kann. Diese Vorhersage wurde experimentell an einem großflächigen 170 cm² großen Bauelement bestätigt, das unter kontrollierten Bedingungen extrem niedrige Verluste und eine hohe Leistungsabgabe erzielte.
Die Forscher fassten zusammen, dass die Verwendung eines geschindelten Moduls mit 14 Streifen zur Aufteilung des Stroms und Erhöhung der Spannung über mehrere Zellstreifen hinweg zu einem lastrobusten geschindelten PV-Modul führte. Die Größe und Leistung dieses PV-TEG-Systems stellen einen signifikanten Fortschritt gegenüber den bisher in der Literatur berichteten größten (68 cm²) und leistungsstärksten (1,15 W) Geräten dar. Die Forscher wiesen darauf hin, dass ihre PV-TEG im Gegensatz zu Tandem-Solarzellen, die eine komplexe monolithische Integration und eine feine spektrale Aufteilung des Lichts erfordern, lediglich eine direkte Verbindung kommerziell erhältlicher PV- und TEG-Komponenten ohne jegliche vorgelagerte Prozessherstellung beinhaltet. Die Forschungsarbeit mit dem Titel „Load-resilient shingled photovoltaic module for field-scale thermoelectric coupling" wurde in der Fachzeitschrift „Scientific Reports" veröffentlicht.
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