Multi-Cut-Solarmodulen genau: Eine praktische Analyse

Kurze Antwort: Mehrfach geschnittene Solarmodule teilen eine vollständige Zelle in drei, vier oder mehr Streifen auf und ordnen sie so an, dass der Strom pro Streifen geringer und der ohmsche Verlust im Ribbon kleiner ist. Die Idee ist nicht neu – Halbzellen waren der erste Schritt in dieselbe Richtung –, aber sie rückte ab 2025 wieder in den Vordergrund, als die Leistungsziele von Modulen stiegen und Werkzeuge für Vierschnitt verfügbar wurden. Der Gewinn resultiert aus zwei Effekten: Dünnere Streifen führen weniger Strom, was dünnere Ribbons und einen niedrigeren Serienwiderstand ermöglicht, und die kleinere Zellfläche bedeutet, dass ein gebrochener Streifen weniger Leistung kostet. Die Kosten sind vermehrter Schneide- und Stringer-Aufwand, engere Platzierungstoleranzen und mehr Verbindungsstellen pro Modul. Die praktische Analyse einer Mehrfach-Schnitt-Linie läuft daher immer auf denselben Kompromiss hinaus: die auf Zellebene gewonnene Effizienz gegen die an den Schneide- und Stringer-Stationen verlorene Ausbeute.

PV-Modulfertigung · von Jerry, Ooitech

Multi-Cut-Solarmodule: Warum das Thema wieder aktuell ist

Ab 2025 ist die Idee der „Multi-Cut“-Solarmodule in der PV-Branche wieder heiß geworden. Auf der diesjährigen SNEC-Ausstellung haben viele Modulhersteller neue Designs wie Third-Cut- und Quarter-Cut-Module vorgestellt. Es scheint, dass sich die Hersteller nicht mehr mit dem herkömmlichen Half-Cut-Format zufriedengeben. Die Branche stellt sich eine sehr praktische Frage: Wie oft kann eine Solarzelle geschnitten werden und welchen echten Nutzen bringt das?

Dieser Artikel befasst sich genauer damit, was Multi-Cut-Module sind, warum sie wieder diskutiert werden und welche Vorteile und Einschränkungen sie in Bezug auf die Schattenresistenz haben.

Was ist ein Multi-Cut-Solarmodul?

Ein „Multi-Cut“-Solarmodul bedeutet normalerweise, dass eine Solarzelle in voller Größe in mehrere kleinere Zelleneinheiten geschnitten wird, die dann durch Reihen- oder Parallelschaltungsdesign miteinander verbunden und zu einem vollständigen PV-Modul laminiert werden.

Häufige Formate umfassen:

• Half-Cut-Zellen: Eine volle Zelle wird in 2 Stücke geschnitten, derzeit das Mainstream-Design

• Third-Cut-Zellen: Eine Zelle wird in 3 Stücke geschnitten

• Multi-Cut-Zellen: Eine Zelle wird in mehr kleine Stücke geschnitten, z. B. 4-Cut-, 5-Cut- oder 6-Cut-Designs

• Shingled-Module: auch eine spezielle Art der Multi-Cut-Anwendung, mit überlappenden Zellstreifen

Hinweis: Die obigen Diagramme zeigen nur typische Schaltungskonzepte. Sie stellen nicht die genauen Produktdesigns bestimmter Hersteller dar.

Warum Hersteller Multi-Cut-Designs verwenden

Der Hauptzweck des Multi-Cut-Designs besteht darin, den Betriebsstrom jeder Zelleneinheit zu reduzieren und die interne Schaltungsverbindung des Moduls zu optimieren. Dadurch kann das Modul elektrische Verluste reduzieren und die Energieerzeugung unter komplexen realen Bedingungen verbessern.

Die Hauptvorteile umfassen:

• Niedrigerer Betriebsstrom: Nachdem eine Solarzelle in kleinere Einheiten geschnitten wurde, wird der Strom jeder Teilzelle entsprechend reduziert.

• Geringerer Widerstandsverlust: Der interne Widerstandsverlust eines PV-Moduls ist proportional zum Quadrat des Stroms.

Ploss = I²R

Wenn der Strom reduziert wird, verringern sich auch die Widerstandsverluste in Bändern, Sammelschienen und internen Leiterbahnen.

• Höhere Modulleistung: Mit geringeren internen elektrischen Verlusten kann das Modul unter Standardtestbedingungen in der Regel einen gewissen Leistungsgewinn erzielen.

• Reduziertes Hot-Spot-Risiko: Ein geringerer Strom trägt dazu bei, die Erwärmung bei Teilverschattung zu reduzieren und verbessert das Hot-Spot-Verhalten des Moduls.

• Bessere Verschattungstoleranz: Mit geeignetem Schaltungsdesign kann die Auswirkung lokaler Verschattung auf einen kleineren Bereich begrenzt werden, sodass unbeschattete Bereiche weiterhin Strom erzeugen können.

Schaltungsdesign: Wie lokale Verschattung die Leistung von Solarmodulen beeinflusst

Eine Solarzelle kann grob als Stromquelle betrachtet werden. Bei gutem Sonnenlicht erzeugt die Zelle Strom. Wenn ein Teil der Zelle beschattet ist, sinkt ihre Stromerzeugungsfähigkeit und der Ausgangsstrom nimmt ebenfalls ab.

Abbildung 6: Auswirkung der Verschattung auf den Ausgang eines einzelnen Zellstrings

In einem herkömmlichen Vollzellenmodul sind mehrere Zellen in Reihe geschaltet, um einen Zellstring zu bilden. Wenn eine oder einige Zellen beschattet sind, begrenzen die beschatteten Zellen den Stromausgang des gesamten Strings. Einfach ausgedrückt wird der Ausgangsstrom desselben Zellstrings normalerweise durch die schwächste Zelle bestimmt, die oft die am stärksten beschattete Zelle ist.

Bei starker Verschattung kann die beschattete Zelle sogar in Sperrrichtung vorgespannt werden. Statt Strom zu erzeugen, wird sie zu einer elektrischen Last und erzeugt lokale Wärme. Dies ist der bekannte Hot-Spot-Effekt.

Um das Hot-Spot-Risiko zu reduzieren, sind PV-Module normalerweise mit Bypass-Dioden ausgestattet. Wenn ein Zellstring stark beschattet ist, leitet die Bypass-Diode und ermöglicht es dem Strom, den betroffenen String zu umgehen. Dies schützt die Zellen, aber der umgangene String kann keine Leistung mehr beitragen. Infolgedessen sinkt die Ausgangsleistung des Moduls erheblich.

Daher wird die Verschattungsresistenz eines Moduls nicht nur durch die Solarzelle selbst bestimmt. Sie hängt auch stark vom internen Schaltungsdesign des Moduls ab.

Die grundlegende Logik von Multi-Cut-Modulen: Aufteilung von hohem Strom in niedrigeren Strom

Ein Multi-Cut-Modul schneidet Standardzellen in kleinere Zelleneinheiten und verbindet sie dann durch geeignete Serien- und Parallelschaltungen. Im Vergleich zu herkömmlichen Vollzellenmodulen ist ein wichtiges Merkmal des Multi-Cut-Designs, dass jede geschnittene Zelleneinheit mit einem niedrigeren Strom arbeitet.

Angenommen, der Betriebsstrom einer Vollzelle beträgt I0. Wenn sie gleichmäßig in n Stücke geschnitten wird, beträgt der theoretische Strom jeder geschnittenen Zelleneinheit ungefähr:

Icell = I0 / n

Zum Beispiel:

• In einem Halbzellenmodul hat jede Halbzelleneinheit einen Strom von etwa I0/2.

• In einem Drittelzellenmodul hat jede Drittelzelleneinheit einen Strom von etwa I0/3.

• In einem Viertelzellenmodul hat jede Viertelzelleneinheit einen Strom von etwa I0/4.

Natürlich werden die realen Stromwerte auch von Laserschneiden Qualität, Kantenpassivierung, Ribbon-Design, Widerstandsverlusten und Modullayout beeinflusst. Aber vom Grundprinzip her ist der Betriebsstrom von Multi-Cut-Zelleneinheiten deutlich niedriger als der von Vollzellen.

Wenn der Strom reduziert wird, ergeben sich zwei direkte Vorteile.

Geringerer Widerstandsverlust

Wenn der Strom abnimmt, sinken die Widerstandsverluste in Bändern und Verbindungsbereichen erheblich. Am Beispiel eines Viertelzellenmoduls kann sein Widerstandsverlust unter idealen Bedingungen und bei unveränderten anderen Faktoren theoretisch auf ein Sechzehntel des Verlusts eines Vollzellenmoduls reduziert werden.

Die Auswirkungen lokaler Verschattung können leichter begrenzt werden

Mit einem stärker segmentierten Schaltungsdesign kann die durch Schatten verursachte Stromfehlanpassung auf einen lokalen Bereich beschränkt werden, anstatt einen größeren Zellstrang zu beeinträchtigen.

Wenn beispielsweise zwei Schattenobjekte gleicher Fläche auf ein Vollzellenmodul und ein Halbzellenmodul fallen, kann das Objekt im Vollzellenmodul 80% einer Vollzelle abdecken. Im Halbzellenmodul kann dasselbe Objekt auf zwei Halbzellen verteilt sein, wobei es 30% einer Halbzelle und 50% einer anderen beschattet. In diesem Fall sind das Muster der Stromfehlanpassung und der betroffene Bereich unterschiedlich.

Der entscheidende Punkt: Flexibleres Serien- und Parallelschaltungsdesign

Das Multi-Cut-Moduldesign besteht nicht nur darin, Zellen in kleinere Stücke zu schneiden. Der eigentliche Faktor, der die Verschattungstoleranz bestimmt, ist, wie die Zellen nach dem Schneiden verbunden werden.

In einem herkömmlichen Vollzellenmodul sind die Zellen normalerweise in Reihe geschaltet, und das Modul ist durch drei Bypass-Dioden in drei Stromkreissektionen unterteilt. Wenn eine Zelle stark verschattet ist, kann dies die Leistung von etwa einem Drittel der gesamten Modulfläche beeinträchtigen.

In einem Multi-Cut-Modul kann die ursprüngliche große Zellkette durch ein detaillierteres Serien-Parallel-Design in kleinere Stromerzeugungseinheiten unterteilt werden. Parallele Pfade ermöglichen auch eine flexiblere Stromverteilung.

Nehmen wir als Beispiel ein Viertel-Schnitt-Modul: Mit einem geeigneten Schaltkreislayout kann die Auswirkung der Verschattung auf eine einzelne geschnittene Zelle auf etwa ein Zwölftel der Schaltkreisfläche begrenzt werden. Im Vergleich dazu kann bei herkömmlichen Vollzellen- oder Halbzellenmodulen die Verschattung an derselben Position einen viel größeren Teil der Zellkettenleistung beeinflussen.

Abbildung 7: Ersatzschaltbilder von Vollzellen-, Halbzellen-, Drittel-Schnitt- und Viertel-Schnitt-Modulen

Abbildung 8: Bei gleicher 50%iger Verschattung der kleinsten Stromerzeugungseinheit können geschindelte Module eine höhere Leistung aufrechterhalten

Daher können Multi-Cut-Module bei Teilverschattung durch detailliertere Schaltkreisabschnitte und parallele Strompfade eine bessere Leistung aufrechterhalten. Die Kern-Designlogik umfasst:

• Schneiden von Zellen in kleinere Stromerzeugungseinheiten

• Verwendung geeigneter Reihenschaltung, um die erforderliche Modulspannung zu erreichen

• Verwendung paralleler Zweige, um den Strom in jedem Zweig zu reduzieren

• Verwendung von Bypass-Dioden, um Leistungsverluste in verschatteten Bereichen zu begrenzen

• Ermöglichen, dass nicht verschattete Bereiche so weit wie möglich weiterhin Strom erzeugen

Wichtige Einschränkungen: Multi-Cut ist nicht bei jedem Verschattungsmuster immer besser

Obwohl sich dieser Artikel darauf konzentriert, wie Multi-Cut-Schaltkreisdesign die Verschattungsresistenz verbessern kann, haben Multi-Cut-Module nicht in jedem Verschattungsszenario immer einen Vorteil.

Der oben diskutierte Kernpunkt ist: Wenn der verschattete Anteil der Zelleinheit gleich ist, erreichen Multi-Cut-Module oft eine höhere Ausgangsleistung. Bei gleicher Schattengröße und -form kann jedoch, da jede geschnittene Zelleinheit eine kleinere Fläche hat, der verschattete Anteil dieser Einheit tatsächlich höher sein. Dies kann zu einem Abfall der Ausgangsleistung führen.

Wenn beispielsweise eine Verschattung entlang der kurzen Seite eines Moduls auftritt, insbesondere am frühen Morgen oder späten Nachmittag, wenn der Sonnenwinkel niedrig ist, kann der Schatten die untere Zellreihe bedecken. Bei einem Halbzellenmodul kann die untere Reihe nur zu 70 % verschattet sein. Bei einem Viertelzellenmodul jedoch, da jede geschnittene Zelle eine geringere Höhe hat, kann derselbe Schatten die untere Reihe der Viertelzellen vollständig bedecken. Dies kann zu einem erheblichen Leistungsabfall im entsprechenden Schaltkreisabschnitt führen oder sogar dazu, dass ein Teil des Zellstrangs seine Leistungsfähigkeit verliert.

Darüber hinaus können Drittelzellenmodule aufgrund von Layout und Schaltungsdesign eine Asymmetrie zwischen oben und unten aufweisen. Wenn dieselbe Schattenfläche oder -form auf verschiedenen Seiten des Moduls auftritt, kann der tatsächliche Leistungsverlust unterschiedlich sein. Unter bestimmten Verschattungsbedingungen kann ein Drittelzellenmodul sogar einen größeren Leistungsverlust aufweisen als ein Halbzellenmodul.

Bei der Bewertung des durch Schatten verursachten Leistungsverlusts dürfen wir daher nicht nur die verschattete Fläche betrachten. Wir müssen auch die tatsächliche interne Serien-Parallel-Schaltungsverteilung, die Schutzzonen der Bypass-Dioden, die Schattenform und die Schattenposition berücksichtigen.

Von hoher Leistung zu hoher Energieertragsstabilität

Mit der kontinuierlich steigenden Leistung von PV-Modulen geht es im Branchenwettbewerb nicht mehr nur um die Spitzenleistung unter Standardtestbedingungen. Für reale Solarkraftwerke werden langfristiger Energieertrag und Stabilität unter komplexen Betriebsbedingungen immer wichtiger.

Viertelzellen- und andere Multi-Cut-Module verwenden kleinere Zelleinheiten, niedrigere Betriebsströme und flexiblere Serien-Parallel-Schaltungen, um die Auswirkungen lokaler Verschattung auf die Gesamtleistung des Moduls zu reduzieren. Ihr Kernwert ist einfach: die Wirkung von Schatten lokalisieren, die nicht verschatteten Bereiche weiterarbeiten lassen und die Stabilität der Energieerzeugung in realen Anwendungen verbessern.

In gewerblichen und industriellen Dachanlagen, Wohnhausdächern, BIPV-Projekten und anderen Szenarien mit lokalem Verschattungsrisiko könnten Viertelzellenmodule ein wichtiger technischer Weg sein, um den Systemertrag und die Betriebszuverlässigkeit zu verbessern.

Ooitechs Ansicht

Als Ausrüstungslieferant, der eng mit Solarmodul-Fertigungslinien zusammenarbeitet, sieht Ooitech die Multi-Cut-Technologie als mehr als nur eine Änderung des Zellformats; sie ist eine kombinierte Herausforderung, die Laserschneidepräzision, Stringstabilität, Schaltungsdesign und Qualitätsprüfung umfasst. Für Hersteller, die Halbzellen-, Drittelzellen-, Viertelzellen- oder Shingled-Produkte in Betracht ziehen, muss die Produktionslinie zusammen mit der elektrischen Architektur des Moduls bewertet werden, da die Verschattungsleistung stark davon abhängt, wie jede kleine Zelleinheit miteinander verbunden und geschützt ist. Aus unserer Sicht wird die nächste Stufe des Modulwettbewerbs nicht nur die Nennleistung vergleichen, sondern auch, wie zuverlässig ein Modul unter Staub, Blättern, Dachhindernissen und flachwinkligen Schatten weiterhin Energie erzeugt.