Inhaltsverzeichnis
- Was sind Multi-Cut-PV-Module?
- Warum benötigen Hochleistungsmodule ein präziseres Strommanagement?
- Warum kann Teilverschattung die Leistung eines ganzen Moduls beeinflussen?
- Wie verbessern Multi-Cut-Schaltungen die Reaktion auf Verschattung?
- Worin unterscheiden sich verschiedene Zellteilungsdesigns?
- Ist eine stärkere Segmentierung immer besser?
- Worauf sollte man bei der Auswahl von Multi-Cut-Modulen achten?
- Fazit: Der Wert des Multi-Cut-Designs liegt in der stabileren Energieerzeugung im realen Betrieb.
In den vergangenen Jahren haben sich Halbzellenmodule zu einem der wichtigsten Designs im Photovoltaikmarkt entwickelt. Im Vergleich zu herkömmlichen Vollzellenmodulen reduziert die Halbzellentechnologie den Arbeitsstrom jeder einzelnen Zelle, verringert interne Widerstandsverluste und verbessert bis zu einem gewissen Grad das Wärmemanagement sowie die Reaktion auf Teilverschattung.
Mit der Weiterentwicklung von n-Typ-Zellen, größeren Waferformaten und Hochleistungsmodulen beschränkt sich der Wettbewerb bei PV-Modulen jedoch längst nicht mehr nur auf die Nennleistung unter Standard-Testbedingungen. Interne Strompfade, thermische Verluste, Verschattungsverhalten und langfristige Betriebsstabilität werden zunehmend zu entscheidenden Faktoren für den tatsächlichen Energieertrag.
Vor diesem Hintergrund gewinnen Zellstrukturen mit noch stärkerer Segmentierung, etwa Drittelzellen- oder Viertelzellen-Designs, immer mehr Aufmerksamkeit.
„Multi-Cut“ bedeutet nicht einfach, Solarzellen in kleinere Stücke zu schneiden. Der eigentliche Zweck besteht darin, durch stärker segmentierte Zelleinheiten und flexiblere Schaltungsdesigns die internen Strompfade eines Moduls neu zu organisieren. Dadurch kann das Modul unter hohen Temperaturen, bei Teilverschattung und unter komplexen Dachbedingungen eine stabilere Leistung liefern.
1. Was sind Multi-Cut-PV-Module?
Multi-Cut-PV-Module sind Photovoltaikmodule, bei denen vollständige Solarzellen in kleinere Zelleinheiten geschnitten und anschließend über serielle, parallele oder hybride Verschaltungsdesigns miteinander verbunden werden.
Gängige Multi-Cut-Formate sind:
Halbzellenmodule: Die vollständige Zelle wird in zwei Teile geschnitten. Dieses Design ist heute eine ausgereifte und weit verbreitete Standardlösung.
Drittelzellenmodule: Die vollständige Zelle wird in drei Teile geteilt, um den Arbeitsstrom jeder Zelleinheit weiter zu reduzieren.
Viertelzellenmodule und stärker segmentierte Module: Die Zelleinheiten werden noch weiter unterteilt, um eine komplexere Schaltungssegmentierung zu ermöglichen.
Schindelmodule: Eine spezielle Form der hochdichten Zellteilung und Zellverschaltung.
Auf den ersten Blick scheint Multi-Cut-Technologie lediglich die Art und Weise zu verändern, wie Solarzellen geschnitten werden. Betrachtet man jedoch die Funktionsweise eines PV-Moduls, verändert sie die interne Stromverteilung, die Verschaltungspfade und die Reaktion auf Verschattung.
In herkömmlichen Vollzellenmodulen trägt jede Zelle einen vergleichsweise hohen Arbeitsstrom. Mit zunehmender Zellgröße und steigender Modulleistung wird das Strommanagement immer wichtiger. Genau hier setzt das Multi-Cut-Design an: Durch die Aufteilung größerer Stromerzeugungseinheiten in kleinere Zelleinheiten lässt sich der Zellstrom senken und gleichzeitig mehr Spielraum für flexible Schaltungsdesigns schaffen.
2. Warum benötigen Hochleistungsmodule ein präziseres Strommanagement?
Multi-Cut-Technologie gewinnt zunehmend an Bedeutung, weil Hochleistungsmodule interne Ströme, thermische Verluste und Verschaltungspfade präziser steuern müssen.
Im Inneren eines PV-Moduls verursachen Zellverbinder, Kontaktbereiche und leitende Pfade bestimmte Widerstandsverluste. Diese Verluste stehen im Zusammenhang mit dem Quadrat des Stroms und lassen sich vereinfacht mit folgender Formel beschreiben:
P_loss = I²R
Dabei steht I für den Strom und R für den Widerstand.
Das bedeutet: Je höher der Arbeitsstrom unter gleichen Bedingungen ist, desto deutlicher fallen interne Widerstandsverluste und lokale Erwärmung aus. Durch das Schneiden vollständiger Solarzellen in kleinere Zelleinheiten kann der Arbeitsstrom jeder Einheit reduziert werden, was dazu beiträgt, einen Teil der internen Verluste zu verringern.
Im Idealfall gilt:
Der Strom einer Halbzelle beträgt etwa 1/2 des Stroms einer Vollzelle.
Der Strom einer Drittelzelle beträgt etwa 1/3 des Stroms einer Vollzelle.
Der Strom einer Viertelzelle beträgt etwa 1/4 des Stroms einer Vollzelle.
Nach der Formel können Widerstandsverluste durch eine Reduzierung des Stroms quadratisch abnehmen. In realen PV-Modulen wird die tatsächliche Leistung jedoch nicht allein durch diese mathematische Aufteilung bestimmt. Schnittqualität, Kantenpassivierung, Zellverbinderdesign, Serien- und Parallelschaltung, Bypassdioden-Segmentierung sowie die Zuverlässigkeit der Verkapselung beeinflussen ebenfalls die reale Modulleistung.
Daher ist Multi-Cut-Technologie nicht nur eine Methode zur Zellteilung, sondern ein Schaltungsdesignansatz, der auf niedrigere Ströme, geringere Verluste und eine höhere langfristige Zuverlässigkeit abzielt.
3. Warum kann Teilverschattung die Leistung eines ganzen Moduls beeinflussen?
Teilverschattung beeinflusst die Modulleistung, weil der Strom in einer Reihenschaltung in der Regel durch die Zelle mit dem niedrigsten Strom begrenzt wird.
Die einzelnen Zellen in einem PV-Modul arbeiten nicht vollständig unabhängig voneinander. Sie sind seriell oder in Kombination aus Serien- und Parallelschaltungen miteinander verbunden und bilden Zellstränge. Wenn eine Zelle oder ein bestimmter Bereich verschattet wird, sinken sowohl die Stromerzeugungsfähigkeit als auch der Ausgangsstrom dieses Bereichs.
In einer Reihenschaltung wird der Strom des gesamten Zellstrangs normalerweise durch die Zelle mit dem geringsten Strom bestimmt. Mit anderen Worten: Lokale Verschattung wirkt sich nicht nur auf den verschatteten Bereich selbst aus, sondern kann auch die Ausgangsleistung des gesamten Zellstrangs reduzieren.
Bei starker Verschattung kann eine verschattete Zelle in Sperrrichtung betrieben werden und sich von einer stromerzeugenden Einheit zu einer stromverbrauchenden Last entwickeln. Dies führt zu lokaler Erwärmung, die häufig als Hotspot-Effekt bezeichnet wird.
Um das Hotspot-Risiko zu reduzieren, sind PV-Module in der Regel mit Bypassdioden ausgestattet. Wird ein Zellstrang stark verschattet, ermöglichen Bypassdioden dem Strom, den betroffenen Bereich zu umgehen und die Zellen zu schützen. Der überbrückte Bereich kann dann jedoch keine Leistung mehr liefern, sodass die Modulleistung weiterhin sinkt.
Das Verschattungsverhalten hängt daher nicht nur von der Solarzelle selbst ab, sondern wird maßgeblich durch das interne Schaltungsdesign, die Segmentierung der Bypassdioden und das Layout der Zellstränge beeinflusst.
4. Wie verbessern Multi-Cut-Schaltungen die Reaktion auf Verschattung?
Multi-Cut-Designs können die sekundären Auswirkungen lokaler Verschattung reduzieren, indem sie stärker segmentierte Zelleinheiten und Schaltungsbereiche nutzen.
In herkömmlichen Modulstrukturen sind Zellen und Zellstränge in relativ große Bereiche unterteilt. Lokale Verschattung kann daher einen größeren Teil der Schaltungsausgabe beeinflussen. Multi-Cut-Designs teilen größere Zelleinheiten in kleinere Stromerzeugungseinheiten auf und nutzen feinere Serien- und Parallelstrukturen. Dadurch lässt sich lokales Strommismatch leichter auf kleinere Bereiche begrenzen.
Durch ein sorgfältig entwickeltes Schaltungsdesign können Multi-Cut-Module dazu beitragen:
den Arbeitsstrom jeder Zelleinheit zu senken;
- Widerstandsverluste in den Verschaltungspfaden zu reduzieren;
- lokale thermische Belastungen zu verringern;
- sekundäre Verluste durch lokale Verschattung zu begrenzen;
- nicht verschattete Bereiche möglichst weiter Strom erzeugen zu lassen.
- Dies ist einer der Gründe, warum Multi-Cut-Designs bei komplexen Dachanwendungen zunehmend Beachtung finden.
In realen Projekten ist Verschattung häufig unregelmäßig. Schornsteine, Baumschatten, Attiken, Lüftungsanlagen, Dachfenster und benachbarte Gebäude können Schatten mit unterschiedlichen Formen und Richtungen verursachen. Manche Schatten sind lokal begrenzt, manche verlaufen horizontal, andere verändern sich mit dem Sonnenstand.
Multi-Cut-Technologie kann das Verschattungsverhalten daher nur dann verbessern, wenn das interne Schaltungsdesign zur tatsächlichen Verschattungssituation passt. Sie kann Verschattung nicht beseitigen und garantiert auch nicht unter allen Verschattungsbedingungen die beste Leistung. Sie bietet jedoch eine flexiblere Designgrundlage, um die Ausbreitung lokaler Mismatch-Verluste zu reduzieren.
5. Worin unterscheiden sich verschiedene Zellteilungsdesigns?
Verschiedene Segmentierungsdesigns lassen sich nicht einfach in „besser“ oder „schlechter“ einteilen. Sie stehen vielmehr für unterschiedliche Kompromisse beim Strommanagement, im Verkapselungsprozess und bei der Eignung für bestimmte Anwendungen.
Die folgende Tabelle vergleicht gängige Modulstrukturen hinsichtlich der wichtigsten Designänderungen, Hauptfunktionen und relevanten Punkte:
Selbst wenn verschiedene Hersteller ähnliche Zellteilungsverfahren verwenden, kann sich das tatsächliche Schaltungsdesign deutlich unterscheiden. Ob ein Modul bei lokaler Verschattung besser reagiert, hängt nicht nur davon ab, in wie viele Teile jede Zelle geschnitten wird. Entscheidend sind auch die Anordnung der Zellstränge, das Design paralleler Strompfade, die Segmentierung der Bypassdioden und die Stabilität des Verkapselungsprozesses.
6. Ist eine stärkere Segmentierung immer besser?
Mehr Schaltungssegmente bedeuten nicht automatisch eine bessere Leistung. Entscheidend ist, ob das Schaltungsdesign sinnvoll ist und ob Zuverlässigkeit und Kosten kontrollierbar bleiben.
Wenn Solarzellen in kleinere Einheiten unterteilt werden, sinkt der Arbeitsstrom jeder Einheit. Theoretisch hilft dies, Widerstandsverluste und lokale Erwärmung zu reduzieren. Gleichzeitig steigen jedoch die Anzahl der Schnittkanten, Verschaltungspfade, Lötstellen und Verkapselungsstrukturen. Das stellt höhere Anforderungen an die Fertigungskonsistenz und langfristige Zuverlässigkeit.
Wenn die Schnittkanten nicht sauber verarbeitet werden, können Risiken wie erhöhte Kantenrekombination, Mikrorisse oder langfristige Leistungsdegradation zunehmen. Ist die Verschaltungsstruktur zu komplex, wird es außerdem schwieriger, eine stabile Produktionsqualität und langfristige Zuverlässigkeit nachzuweisen.
Auch verschiedene Schattenformen führen zu unterschiedlichen Ergebnissen. Lokale Schatten, horizontale Schatten, vertikale Schatten und Randverschattungen beeinflussen die Schaltungsbereiche eines Moduls jeweils auf unterschiedliche Weise, insbesondere bei niedrigem Sonnenstand. Ein Segmentierungsdesign, das bei einem bestimmten Verschattungsmuster gut funktioniert, muss nicht unter allen Bedingungen denselben Vorteil bieten.
Die entscheidende Frage lautet daher nicht: „Wie oft kann eine Zelle geschnitten werden?“, sondern: Kann das Modul ein sinnvolles Gleichgewicht zwischen niedrigem Strom, geringen Verlusten, Zuverlässigkeit, Kosten und Anwendungsszenario erreichen?
7. Worauf sollte man bei der Auswahl von Multi-Cut-Modulen achten?
Bei der Auswahl von Multi-Cut-Modulen reicht es nicht aus, nur die Anzahl der Zellteilungen zu betrachten. Schaltungsdesign, Verschattungsbedingungen, Installationsart und langfristige Zuverlässigkeit sollten ebenfalls berücksichtigt werden.
Zunächst sollte das interne Schaltungsdesign des Moduls bewertet werden. Selbst wenn zwei Module beide Halbzellen-, Drittelzellen- oder andere Multi-Cut-Designs nutzen, können sich Zellstranglayout, parallele Strompfade und Bypass-Schutzbereiche unterscheiden. Diese Details bestimmen häufig das tatsächliche Verschattungsverhalten.
Zweitens sollte das Anwendungsszenario berücksichtigt werden. Wenn ein Dach frei von Verschattung ist, eine einheitliche Ausrichtung besitzt und gute Installationsbedingungen bietet, können die Unterschiede zwischen verschiedenen Segmentierungsdesigns weniger deutlich ausfallen. Gibt es jedoch Schornsteine, Baumschatten, Attiken, Anlagentechnik auf dem Dach oder hohe Betriebstemperaturen, werden niedriger Zellstrom und lokale Reaktionsfähigkeit eines segmentierten Designs wichtiger.
Drittens ist die Modulzuverlässigkeit entscheidend. Je stärker ein Modul segmentiert ist, desto mehr Schnittkanten und Verschaltungsbereiche entstehen. Daher sind Schnittqualität, Kantenpassivierung, Verkapselungsprozess, Lötqualität und langfristige Witterungsbeständigkeit besonders wichtig.
Schließlich muss auch das Systemdesign berücksichtigt werden. Modulausrichtung, Stringauslegung, Wechselrichterabstimmung, Verschattungsdauer und Wartungsbedingungen beeinflussen den endgültigen Energieertrag. Multi-Cut-Module können einige betriebliche Herausforderungen verbessern, ersetzen aber kein durchdachtes Systemdesign.
Bei Gewerbe- und Industriedächern, komplexen Wohngebäudedächern, BIPV-Projekten oder Anwendungen mit potenziellem Teilverschattungsrisiko sollte der Fokus daher nicht allein auf der Spitzenleistung unter Standard-Testbedingungen liegen. Wichtiger ist die langfristige Ertragsstabilität unter realen Betriebsbedingungen.
8. Fazit: Der Wert des Multi-Cut-Designs liegt in der stabileren Energieerzeugung im realen Betrieb
Von Halbzellen zu stärker segmentierten Zellen: Die Entwicklung von PV-Modulen verschiebt sich zunehmend von der reinen Betrachtung der Nennleistung hin zu einer stabileren Energieerzeugung unter realen Betriebsbedingungen.
Der Kernwert der Multi-Cut-Technologie liegt nicht darin, zu zeigen, wie fein eine Solarzelle geteilt werden kann. Vielmehr geht es darum, durch niedrigere Ströme, stärker segmentierte Schaltungen und sinnvollere Verschaltungsdesigns interne Verluste zu reduzieren, das Wärmemanagement zu verbessern und die Ausgangsstabilität bei Teilverschattung zu erhöhen.
Mit der zunehmenden Verbreitung von Hochleistungsmodulen werden interne Strompfade und Schaltungssegmentierung die langfristige Systemleistung immer stärker beeinflussen. Bei komplexen Dachstrukturen, hohen Umgebungstemperaturen und Anwendungen mit Teilverschattungsrisiko ist eine stabile Energieerzeugung oft wichtiger als die reine Nennleistung.
Wenn über Multi-Cut-Module gesprochen wird, lautet die wichtigste Frage daher nicht, wie oft eine Zelle geschnitten werden kann. Entscheidend ist, ob das Schaltungsdesign dem Modul hilft, unter realen Bedingungen stabiler und zuverlässiger Strom zu erzeugen.
FAQ
1. Was sind Multi-Cut-PV-Module?
Multi-Cut-PV-Module sind Module, bei denen vollständige Solarzellen in kleinere Zelleinheiten geschnitten und anschließend über serielle, parallele oder hybride Verschaltungen zu einem Modul verbunden werden. Gängige Formen sind Halbzellen-, Drittelzellen-, Viertelzellen- und Schindelmodule.
2. Welche Funktion hat ein Multi-Cut-Design?
Es kann den Arbeitsstrom einzelner Zelleinheiten senken und dadurch einen Teil der Widerstandsverluste sowie lokale Erwärmung reduzieren. Gerade bei Hochleistungsmodulen kann ein präziseres Strommanagement zur langfristigen Betriebsstabilität beitragen.
3. Können Multi-Cut-Module die Auswirkungen von Verschattung verbessern?
Bis zu einem gewissen Grad ja. Durch stärker segmentierte Schaltungsbereiche kann ein Multi-Cut-Design lokale Stromfehlanpassungen durch Teilverschattung auf kleinere Bereiche begrenzen und nicht verschattete Bereiche möglichst weiter Strom erzeugen lassen.
4. Ist es immer besser, Solarzellen stärker zu teilen?
Nicht unbedingt. Mehr Segmentierung bedeutet auch komplexere Verschaltungen, mehr Schnittkanten und höhere Anforderungen an die Verkapselung. Wenn Schaltungsdesign oder Fertigungskonsistenz nicht ausreichend sind, kann dies die langfristige Zuverlässigkeit beeinträchtigen.
5. Worauf sollte man bei der Auswahl von Multi-Cut-Modulen achten?
Wichtig sind Schaltungsdesign, Verschattungsverhalten, Verkapselungsqualität, Modulzuverlässigkeit und das tatsächliche Installationsszenario. Für komplexe Dächer, hohe Betriebstemperaturen oder Projekte mit Teilverschattungsrisiko ist die stabile Energieerzeugung eines Multi-Cut-Designs besonders relevant.
Maysun Solar ist im europäischen Markt fest etabliert und spezialisiert auf hocheffiziente Photovoltaikmodule sowie systemorientierte Lösungen. Wir liefern IBC-Module, TOPCon-Module und HJT-Module. Je nach Marktbedingungen und Projektanforderungen kann Maysun Solar Partner dabei unterstützen, passende Modultypen und Systemkonfigurationen gezielt auszuwählen.
Quellenverzeichnis
1. Fraunhofer ISE, Techno-Economic Analysis of Half Cell Modules – The Impact of Half Cells on Module Power and Costs.
https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/publications/conference-paper/36-eupvsec-2019/Mittag_4AV120.pdf.
2. Fraunhofer CSP / IMWS, Reduced Shading Effect on Half-Cell Modules – Measurement and Simulation.
https://publica.fraunhofer.de/entities/publication/19a6c151-450a-4100-955c-c6ec63f84360.
3. Fraunhofer, A Comprehensive Study of Module Layouts for Silicon Solar Cells Under Partial Shading.
https://publica.fraunhofer.de/bitstreams/3b85b226-12c0-45e5-8ce2-693c666bed55/download.
4. NREL, Partially Shaded Operation of a Grid-Tied PV System.
https://docs.nrel.gov/docs/fy09osti/46001.pdf.
5. EPJ Photovoltaics, Challenges and Advantages of Cut Solar Cells for Shingling and Half-Cell Modules.
https://www.epj-pv.org/articles/epjpv/full_html/2024/01/pv230065/pv230065.html.
6. VDMA / ITRPV, International Technology Roadmap for Photovoltaics 2025.
https://www.vdma.eu/de/international-technology-roadmap-photovoltaic.
7. Scientific Reports, Performance Analysis of Partially Shaded High-Efficiency Mono PERC / Mono Crystalline PV Module under Indoor and Environmental Conditions.
https://www.nature.com/articles/s41598-024-72502-z.
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