Zell-zu-Modul-Verhältnis bei ETFE-Modulen: Warum 33 Solarzellen nicht die Nennleistung ergeben

Ein OEM-Kunde kontaktierte uns im letzten Quartal per E-Mail mit einer sehr guten Frage. Laut seiner Zellenspezifikation wies die Effizienz 26,21 µm³T auf. Sein Panel enthielt 33 halbierte Zellen mit je etwa 4,37 W, was multipliziert 144,2 W ergibt. Warum stand dann auf dem Etikett 130 W?

Vierzehn Watt, offenbar fehlen.

Mit dem Solarpanel war nichts defekt. Diese Lücke hat einen Namen, eine Formel und eine genau erforschte Reihe von Ursachen – Ingenieure nennen sie die Zell-zu-Modul-Verhältnis (CTM). Im Folgenden werden die Berechnungen an einem realen 130-W-ETFE-Solarmodul mit rückseitigem Kontakt erläutert, drei Prüfungen vorgestellt, die Sie innerhalb einer Minute an jedem Datenblatt durchführen können, und eine Frage beantwortet, die uns fast wöchentlich gestellt wird: Verbraucht die Glasfaserschicht Strom?

Was CTM tatsächlich misst

CTM vergleicht zwei Zahlen: die Summe der Einzelzellenleistungen, die vor der Laminierung einem Blitztest unterzogen wurden, mit der Nennleistung des fertigen Moduls bei STC.

Ein Verhältnis unter 100% ist üblich. Der Einbau von Zellen in ein Modul erfordert zusätzliche Folien, Klebstoffe, Zwischenräume, Leiter und Widerstände, was jeweils einen geringen Aufwand bedeutet.

Was die Käufer überrascht, ist, dass CTM steigen kann über 100%. Das Fraunhofer ISE hat Halbzellenmodule gebaut bei 104% CTM durch gezielte optische Verstärkung im Schichtaufbau. Im industriellen Maßstab hat dieser Übergang bereits stattgefunden: laut ITRPV-Daten. CTM hat den 100%-Benchmark im Jahr 2021 bestanden., mit Halbzellen-Designs oberhalb von 100,5% und Drei-Schnitt-Designs nahe 101%.

Ein Modul ist also keine Box, die Licht verliert. Es ist ein optisches System, und Teile davon geben Energie zurück.

Die Falle: Moduleffizienz durch Zelleffizienz teilen

Ein Fehler tritt in Beschaffungstabellen häufiger auf als jeder andere. Ein Einkäufer sieht einen Modulwirkungsgrad von 20,2% und einen Zellenwirkungsgrad von 26,2%, teilt die Werte, erhält 77,1% und meldet, dass das Werk 23% beim Laminieren verliert.

Die Zahl ist falsch, und der Grund dafür ist struktureller und nicht arithmetischer Natur. Die Zelleffizienz wird über die Zellfläche gemessen; die Moduleffizienz wird über das gesamte Panel gemessen. Ein Panel weist Kanten, Zellzwischenräume und Leitungsflächen auf – nichts davon erzeugt Strom und nichts davon gehört in die Verlustberechnung für die Laminierung.

Trennt man die beiden Effekte, wirken die Zahlen nicht mehr verdächtig. Der eine Effekt ist geometrischer Natur und durch das Layout vorgegeben; der andere ist verfahrenstechnisch bedingt und durch die Integration bestimmt. Werden sie zusammengefasst, wird der einzige Faktor verschleiert, der tatsächlich beeinflussbar ist.

Ein praktisches Beispiel: 130 W flexibler Rückkontakt

Nehmen wir ein reales Produkt – ein 1090 × 590 mm ETFE-Rückseitenkontakt-Flexibles Modul, 33 Halbzellen in einer 3 × 11-Anordnung, Nennleistung 130 W bei STC.

Als Nächstes zur Geometrie. Jede Halbzelle misst ungefähr 91 × 183,75 mm, sodass 33 davon etwa 0,552 m² abdecken. Das Panel hat eine Fläche von 0,643 m². Die aktive Abdeckung liegt daher nahe bei 85.8%.

Multipliziere die drei miteinander:

Wir empfehlen diesen Abgleich jedem Käufer, da er schnell und schwer zu fälschen ist. Weichen die drei Kennzahlen eines Lieferanten nicht innerhalb weniger Zehntel voneinander ab, stimmt etwas nicht – beispielsweise eine überhöhte Zelleffizienz, eine falsch angegebene Fläche oder ein Datenblatt, das von einem anderen Produkt stammt.

Zwei weitere Überprüfungen, und für keine der beiden ist ein Labor erforderlich.

Der Effizienzabgleich ist der gründliche Test. Diese beiden Tests dauern nur eine Minute und entlarven gefälschte Datenblätter sofort.

Volt pro Zelle. Teilt man die Modulspannungen durch die Zellenzahl, ergibt sich: 20,13 V ÷ 33 = 0,61 V bei maximaler Leistung, 23,45 V ÷ 33 = 0,71 V im Leerlauf. Beide Werte liegen dort, wo der Silizium-Rückkontakt hingehört. Bei Werten von 0,5 V oder 0,9 V ist entweder die Zellenzahl falsch oder die elektrischen Daten sind erfunden.

Stromdichte. Man teilt den Kurzschlussstrom durch die aktive Fläche einer Zelle – in einer Reihenschaltung fließt durch jede Zelle der gleiche Strom. Hier: 6,77 A ÷ 167,2 cm² = 40,5 mA/cm².

Betrachten Sie dies als rote Linie. Ein Datenblatt, das mehr als etwa 43 mA/cm² angibt, ist nicht optimistisch; es ist unmöglich. Uns sind Werte von deutlich über 46 mA/cm² bekannt. Ein Hinweis: Wenn Zellen in Parallelgruppen anstatt in Reihe geschaltet sind, teilen Sie den Modulstrom zunächst durch die Anzahl der Parallelgruppen.

Wohin die fehlenden 14 Watt tatsächlich gehen

Das 9.8% ist nicht eine einzige Sache. Es sind mindestens sechs, und nur einige davon haben überhaupt mit Licht zu tun.

Der letzte Punkt erklärt, warum man CTM nicht durch Multiplikation der Transmissionswerte aus vier verschiedenen Datenblättern von Herstellern schätzen kann. Fraunhofers Modell erfasst Gewinne und Verluste in einer einzigen Berechnung, nicht in einer Kette von Subtraktionen.

Trennung von optischen und elektrischen Verlusten

Sechs Mechanismen in einer einzigen Zahl sind wenig hilfreich, wenn man etwas reparieren will. Die Aufteilung ist jedoch einfach und hängt davon ab, welchen Parameter jeder Mechanismus beeinflusst. Optische Verluste kosten Photonen und schlagen sich daher im Strom nieder. Elektrische Verluste kosten Spannung und Füllfaktor und lassen den Strom weitgehend unberührt.

Fordern Sie also Flash-Daten auf beiden Seiten der Laminierung an und berechnen Sie zwei Verhältnisse:

• Modul Isc ÷ Zelle Isc ist Ihr optisches CTM. Frontfolienreflexion, Verkapselungsabsorption und Glasfaserstreuung laufen alle hier zusammen.
• Der Rest Beeinflusst werden Leerlaufspannung (Voc) und Füllfaktor: Verbindungswiderstand, Fehlanpassung und Rekombination an der Schnittstelle.

Die Unterscheidung ist wirtschaftlich relevant. Bei optischen Eigenschaften geht es hauptsächlich um Materialfragen – Fasergewicht, Verkapselungsqualität, Lagenanzahl. Bei elektrischen Eigenschaften hingegen helfen die Materialien nicht weiter; hier verlagert sich die Diskussion auf Leiterdesign, Sortierung und Trennverfahren. Lieferanten, die nicht beide Datensätze liefern können, messen diese in der Regel nicht.

Das Zuschneiden verdient eine gesonderte Erwähnung, da die gängige Darstellung die Sachlage falsch darstellt. Die Halbzuschnittkonstruktion bietet einen klaren Vorteil – der Strom halbiert sich und die Widerstandsverluste sinken um das Vierfache. 3 bis 5% mehr Leistung als Vollzellenäquivalente. Die eigentliche Frage ist, wie viel der Trennprozess zurückgibt. Nicht viel, wenn er gut gemacht ist: Fraunhofer ISE berichtet über optimierte thermische Lasertrennungskosten von Der Wirkungsgrad liegt nur geringfügig über 0,1% absolut., Durch Kantenpassivierung lassen sich etwa 85% davon wiederherstellen. Günstigere Ritz- und Bruchverfahren hinterlassen deutlich mehr Schäden – Schäden, die später unter Last als Risse sichtbar werden.

Blockiert Fiberglas Ihr Licht? Die ehrliche Antwort

Nimmt man eine trockene Glasfasermatte in die Hand, wirkt sie weiß, trüb und trostlos. Käufer erkennen sie in einem Schichtdiagramm und schließen daraus, dass die Platte nur ein Zehntel des Sonnenlichts verliert. Dieser erste Eindruck ist nachvollziehbar. Doch meistens ist er falsch.

Trockenes Glasfasergewebe erscheint weiß, da die Fasern von Luft umgeben sind – E-Glas hat einen Brechungsindex von etwa 1,56, Luft von 1,00, und dieser Unterschied streut das Licht an jeder einzelnen der Millionen von Fasergrenzen. Die Vakuumlaminierung verändert diese Verhältnisse. Das Verkapselungsmaterial füllt den Raum zwischen den Fasern, und EVA und POE in PV-Qualität erreichen Brechungsindizes um 1,48. Der Brechungsindexunterschied sinkt von etwa 0,56 auf etwa 0,08, und die Streuung nimmt damit stark ab.

Durchscheinend ist jedoch nicht transparent. Dieser Restwert von 0,08 ist genau der Grund, warum die Fasermenge die entscheidende Variable bleibt. Wie das EPFL-Team, das die meistzitierte Studie zu diesem Thema verfasst hat, es formulierte: Selbst eine geringe Diskrepanz zwischen Faser und Matrix reduziert die Lichtdurchlässigkeit, und dieser Effekt verstärkt sich mit zunehmendem Verstärkungsgewicht.

Die Daten: Die Lichtdurchlässigkeit sinkt mit dem Fasergewicht

Forscher der EPFL kapselten Photovoltaikzellen unter Glasfaserlaminaten mit zunehmendem Verstärkungsgewicht ein und maßen anschließend den Kurzschlussstrom im Vergleich zu unbeschichteten Zellen. Das Ergebnis ist eindeutig.

Quelle: Pascual et al., EPFL, CISBAT 2013. Die Werte sind Kurzschlussstromverhältnisse im Bereich von 300–800 nm.

Die Faserarchitektur spielte kaum eine Rolle – das Webmuster beeinflusste den Messwert um wenige Prozent, das Gesamtfasergewicht um mehrere zehn Prozent. Kreuzverstärkte Fasern wiesen einen etwas geringeren Wert als unidirektionale Fasern auf, was die Autoren auf Lufteinschlüsse an den Faserkreuzungen zurückführten.

Beachten Sie den unteren Bereich: Selbst bei 410 g/m², deutlich schwerer als die in flexiblen PV-Modulen verwendeten Folien, bleibt die Lichtdurchlässigkeit bei 881 µm/3T. Die entscheidende Frage war also nie: “Enthält dieses Panel Glasfaser?” Es ist Wie viele Gramm pro Quadratmeter, auf welcher Seite und wie vollständig wurde es imprägniert?

Die Lage der Schicht bestimmt die Kosten

Die meisten flexiblen Laminate sind symmetrisch aufgebaut, mit der gleichen Verstärkung ober- und unterhalb der Zellen. Dies sorgt für einen ausgeglichenen Schichtaufbau und verhindert ein Einrollen der Platte beim Abkühlen. Optisch haben die beiden Schichten jedoch fast nichts gemeinsam. Nur eine ist im Sonnenlicht sichtbar.

Die Rückseitenschichten sind zwar nicht kostenlos, aber kostengünstig – sie beeinflussen die interne Reflexion, anstatt einfallendes Licht abzufangen. Wenn das Diagramm eines Mitbewerbers eine starke Verstärkung zeigt… vor Die Zelle, die so aufgebaut ist, hat ein anderes optisches Budget als eine Zelle, die ihre Struktur dahinter trägt.

Warum flexible Module einen Schritt hinterherhinken – und es liegt nicht am Fiberglas

Beginnen wir mit den guten Nachrichten, denn ETFE gewinnt tatsächlich eine Runde. Das Datenblatt von Saint-Gobain für Norton ETFE listet auf n = 1,40 und Transmission über 95%. Führt man die Fresnel-Rechnung durch, so reflektiert Luft an ETFE etwa 2,81 TP3T, im Vergleich zu etwa 4,31 TP3T bei unbeschichtetem Glas mit einem Brechungsindex von 1,52. Unbeschichtetes ETFE lässt mehr Licht durch.

Nun die schlechte Nachricht, und zwar gleich doppelt. Herkömmliches Glas ist nicht unbeschichtet – eine Antireflexionsschicht senkt die Lichtstärke auf etwa 21 TP3T und macht damit den Vorteil von ETFE gegenüber dem Konkurrenzprodukt zunichte. Und dieser zweite Nachteil taucht in keinem Datenblatt auf. Lichtrecycling Das Prinzip beruht auf Totalreflexion: Licht, das eine Zelle verfehlt, wird an den hinteren Schichten gestreut, trifft von innen auf die Vorderseite und wird jenseits des kritischen Winkels für einen zweiten Durchgang auf das Silizium reflektiert. Dieser Winkel hängt vom Brechungsindex der Vorderseite ab – und hier wirkt sich der niedrige Brechungsindex nachteilig aus. Glas mit einem Brechungsindex von 1,52 ergibt etwa 41°; ETFE mit 1,40 etwa 46°.

Größerer kritischer Winkel, größerer Lichtkegel, mehr Licht geht vorne verloren, anstatt in die Zelle zurückzukehren. Dieselbe Eigenschaft, die auf dem Hinweg hilft, schadet auf dem Rückweg. Es handelt sich um einen strukturellen Faktor – unabhängig von Glasfaser, Membrananzahl oder Laminierungstechnik – und um einen triftigen Grund, warum ein flexibles Laminat, egal wie gut es gefertigt ist, nicht mit AR-beschichtetem Glas auf CTM mithalten kann. Dichte Rückseitenkontaktierungen verstärken das Problem: Bei hoher Zellabdeckung steht nur wenig freiliegende Rückseitenfolie zur Verfügung, von der das Licht gestreut werden kann. Daher bringt eine weiße Rückseitenfolie hier weniger Leistung als bei einem Modul mit großem Abstand zwischen den Zellen.

Die Gesamtdurchlässigkeit ist nicht die Zahl, die Sie suchen.

Die Lieferanten geben einen Wert an. Für einen Glasfaserverbundwerkstoff reicht ein einzelner Wert nicht aus – ein Laminat kann 90% Licht durchlassen und dennoch milchig erscheinen, da das Licht gestreut eintrifft. Dies ist die Trübung, die separat gemessen wird.

Streulicht geht nicht automatisch verloren; ein Photon, das die Zelle erreicht, erzeugt Strom, unabhängig vom zurückgelegten Weg. Trübung ist jedoch ein zuverlässiger Indikator für die Prozesskontrolle. Die Arbeit der EPFL an leichten, glasfreien Modulen ergab… EVA und POE senden beide um 90% von etwa 350 bis 1100 nm, wobei zu beachten ist, dass bestimmte Polyolefine nach der Laminierung milchig werden, was die Lichtdurchlässigkeit verringert und die Reflexion erhöht.

Milchig bedeutet unvollständige Imprägnierung, Lufteinschlüsse oder ein Laminierungsverfahren, das die Hohlräume nicht vollständig verschlossen hat – und bei einer Glasfaserkonstruktion führt jeder dieser Faktoren dazu, dass die Glas-Luft-Grenzflächen wiederhergestellt werden, die durch den gesamten Prozess eigentlich beseitigt werden sollten. Fragen Sie nach dem Trübungswert. Er gibt Aufschluss über die Fabrik, nicht nur über die Folie.

Wie ein gutes CTM aussieht, nach Format

Benchmarks haben nur innerhalb eines bestimmten Formats eine Aussagekraft. Die Messung des falschen Sachverhalts erfolgt beispielsweise durch das bloße Halten eines flexiblen ETFE-Laminats an ein Glasmodul auf CTM-Basis.

Die Zahlen für das Glasmodul folgen ITRPV-Roadmap-Daten. Die flexiblen Bereiche basieren auf unseren eigenen Konstruktionsdaten und veröffentlichten Modulintegrationsstudien – es handelt sich um technische Richtlinien, nicht um zertifizierte Spezifikationen.

Lesen Sie die Tabelle als Abwägungsmaß, nicht als Ergebnisliste. Ein flexibles Modul büßt einige CTM-Punkte zugunsten von Gewicht, Biegeradius und Rissbeständigkeit ein – gerade auf einem Wohnmobildach oder einer gebogenen Terrasse ist dieser Kompromiss der Hauptgrund für die Existenz des Produkts. Ein Wert von etwa 90% ist akzeptabel. Ein Wert von 99% auf derselben Konstruktion sollte Sie jedoch sofort abschrecken.

Wie Sie die Glasfaserkosten selbst ermitteln können

Kein Forschungslabor erforderlich – vier Coupons und ein Spektralphotometer mit Ulbricht-Kugel genügen. Laminieren Sie vier zellfreie Proben gemäß Ihrer Produktionsvorschrift:

Messen Sie die Gesamtdurchlässigkeit, die direkte Durchlässigkeit, die Trübung und die Reflexion im Bereich von 300–1200 nm und gewichten Sie diese Werte anhand der spektralen Empfindlichkeit Ihrer Zelle. Ein Mittelwert im sichtbaren Licht allein ist irreführend, da Silizium stark auf den nahen Infrarotbereich reagiert. Das Verhältnis C ÷ B ist der Wert, über den es sich lohnt, mit einem Lieferanten zu verhandeln; alles andere ist Ansichtssache.

Zwölf Fragen, bevor Sie eine OEM-Bestellung aufgeben

Frage 8 deckt mehr Probleme auf als alle anderen zusammen – zahlreiche Datenblätter führen immer noch EVA auf, weil niemand eine vor Jahren erstellte Vorlage aktualisiert hat. Frage 2 ist diejenige, die Lieferanten am wenigsten erwarten, und eine vage Antwort darauf sagt viel über alle nachgelagerten Bereiche aus.

Wichtigste Erkenntnisse

• CTM vergleicht die Modulleistung mit der Summe der Zellleistungen. Werte unter 100% sind normal; gängige Glasfasern liegen mittlerweile darüber.
• Man sollte niemals die Moduleffizienz durch die Zelleneffizienz teilen – das vermischt Geometrie mit Integrationsverlusten.
• Moduleffizienz = Zelleneffizienz × aktive Abdeckung × CTM. Verwenden Sie sie als Konsistenzprüfung.
• Teilen Sie den Modul-Isc durch die aktive Fläche einer Zelle. Oberhalb von ~43 mA/cm² ist das Datenblatt unrealistisch, nicht gerade optimistisch.
• Die Modulspannung wird durch die Zellenzahl geteilt. Silizium mit Rückseitenkontakt liefert ca. 0,61 V bei Vmp und ca. 0,71 V bei Voc.
• Das Isc-Verhältnis isoliert die optischen Verluste; was übrig bleibt, fließt in Voc und Füllfaktor ein und ist elektrischer Natur.
• Etwa 90% CTM ist ein guter Wert für ein verstärktes, flexibles ETFE-Laminat.
• Fiberglas wird lichtdurchlässig, sobald das Verkapselungsmaterial die Zwischenräume füllt – lichtdurchlässig, nicht transparent. Das Flächengewicht ist entscheidend; das Webmuster spielt kaum eine Rolle. Nur die Verstärkung auf der Vorderseite führt zu einem spürbaren Gewichtszuwachs.
• Der niedrige Brechungsindex von ETFE reduziert zwar die Oberflächenreflexion, vergrößert aber den Lichtaustrittskegel, sodass flexible Paneele weniger Licht zurückgewinnen als AR-Glas. Dieser Unterschied ist strukturell bedingt.

Häufig gestellte Fragen

Wie berechne ich das Verhältnis von Zellen zu Modulen?

Teilen Sie die Nennleistung des Moduls unter Standardtestbedingungen (STC) durch die Summe der im Blitztest ermittelten Leistungen aller Zellen im Modul und multiplizieren Sie das Ergebnis mit 100. Im Beispiel mit 130 W: 130 ÷ 144,2 = 90,21 TP3T. Verwenden Sie nach Möglichkeit gemessene Halbzellendaten; die Ableitung der Zellleistung aus einem angegebenen Wirkungsgradwert liefert nur einen Näherungswert, keine exakte Messung.

Welches Zellen-zu-Modul-Verhältnis ist für ein flexibles Solarmodul optimal?

Für ein verstärktes ETFE-Modul sind etwa 88–941 TP3T realistisch. Glasmodule erreichen mittlerweile Werte über 1001 TP3T, da AR-beschichtetes Glas, ausgereifte Verbindungstechnik und eine verbesserte Lichtrückgewinnung die Verluste überwiegen. Vergleichen Sie flexible Panels miteinander.

Warum ist der Wirkungsgrad meines Moduls so viel geringer als der Zellwirkungsgrad?

Es gibt zwei unabhängige Gründe. Ein Teil der Panelfläche enthält kein Silizium, und Integrationsverluste reduzieren die Leistung des vorhandenen Siliziums. Im obigen Beispiel betrug die Abdeckung etwa 141 TP3T und die CTM etwa 101 TP3T.

Verringert Glasfaser die Leistung von Solarmodulen?

Die Glasfaserverstärkung der Vorderseite verursacht einen gewissen optischen Mehraufwand. Wie hoch dieser ausfällt, hängt vom Flächengewicht und der Qualität der Imprägnierung ab, nicht von der bloßen Anwesenheit von Glasfaser. Die Verstärkung der Rückseite verursacht nahezu keine direkten optischen Mehrkosten.

Hat eine halbierte Zelle genau die halbe Leistung einer vollen Zelle?

Fast, aber nicht ganz. Durch das Schneiden entstehen neue Kanten, an denen Ladungsträger rekombinieren, sodass die beiden Hälften zusammen etwas kleiner sind als das Original. Die optimierte thermische Lasertrennung kostet etwa 0,1% absolut an Effizienz, die durch Kantenpassivierung größtenteils wiederhergestellt wird.

Ist CTM eine zertifizierte Spezifikation?

Nein. Die Modulleistung fällt unter IEC 61215 und die Zellenmessung unter IEC 60904, jedoch gibt es keine Norm, die die Angabe des Verhältnisses regelt. Jeder CTM-Wert ist als Qualifikationsnachweis und nicht als zertifizierter Wert zu verstehen.

Besprechen Sie Ihre eigenen Zahlen.

Jedes Laminat ist eine individuelle Abwägung. Fasergewicht gegen Rissbeständigkeit. Lagenanzahl gegen optische Eigenschaften. Biegeradius gegen Steifigkeit. Es gibt keinen universell richtigen Schichtaufbau – nur den richtigen, der auf die Montageart und die zu bewältigenden Anforderungen abgestimmt ist.

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Quellen und weiterführende Literatur

1. Fraunhofer ISE — CTM 100+: Verbesserung der Modulleistung durch Analyse der Zell-zu-Modul-Verluste
2. Fraunhofer ISE — SmartCalc.CTM / SmartCalc.Module Software zur Zell-zu-Modul-Analyse
3. Richter, Hermle & Glunz, IEEE Journal of Photovoltaics (2013) — Neubewertung des Wirkungsgradlimits für kristalline Silizium-Solarzellen (29,43% und 43,31 mA/cm² intrinsische Grenzwerte)
4. Saint-Gobain Performance Plastics — Norton® ETFE Fluorpolymerfolie – typische Eigenschaften (Brechungsindex, Transmission)
5. Pascual, de Castro, Schueler, Vassilopoulos & Keller (EPFL, CISBAT 2013) — Gesamtlichtdurchlässigkeit von glasfaserverstärkten Polymerlaminaten
6. Lisco, Virtuani & Ballif (EPFL, EU PVSEC 2020) — Optimierung des Frontfolien-Verkapselungsmaterials für leichte, glasfreie PV-Module
7. Lohmüller et al. (Fraunhofer ISE, SiliconPV 2025) — Verlustarme Vereinzelung von TOPCon-Halbsolarzellen durch TLS und Al₂O₃-Kantenpassivierung
8. PV Magazin — Laseroptimierung für halbierte Solarzellen
9. TaiyangNews — Gewinne und Verluste auf Modulebene (ITRPV-Zellen-zu-Modul-Daten)