Letzte Aktualisierung: 17.06.2022

Solarmodultechnik: Bedeutung und Funktion von Busbars

Solarunternehmen, Forschung und Entwicklung arbeiten stetig an der Weiterentwicklung von Solarmodulen. Die Verschaltung von Solarzellen bot und bietet weitere Effizienzpotentiale zur Reduktion der Ressourcen und Steigerung von Modulleistungen. Wir erklären im folgenden Beitrag die Funktion von Busbars in PV-Modulen und stellen die heutige und künftige Bedeutung der metallischen Sammelschienen in der Verschaltung von Solarzellen dar.

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Das Wichtigste in Kürze

  • Eine Busbar ist eine metallische Sammelschiene, Stromschiene oder auch Leiterbahn zur elektrischen Energieverteilung.
  • Busbars bestehen meist aus Kupfer oder Aluminium. In PV-Modulen wird, aufgrund der höheren Leitfähigkeit, Silber verwendet.
  • Ein feines Leitungsnetz aus Busbars und Kontaktfingern bildet die Verschaltung von Solarzellen.
  • Busbars ermöglichen eine Optimierung des Leistungsflusses durch einen geringeren elektrischen Widerstand, eine noch höhere Belastbarkeit der Solarmodule und eine Reduzierung des Zellen-Serienwiderstands.
  • Durch Infrarot-Löttechnik oder der Verwendung von elektrisch leitfähigen Klebstoffen (ECA) werden Busbars mit Solarzellen verbunden.
  • Der Einsatz von elektrisch leitfähigem Kleber (ECA) erlaubt eine busbarfreie Verschaltung von Solarzellen.
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Begriffserklärung: Busbar

Der englische Begriff Busbar steht für eine metallische Sammelschiene, Stromschiene oder auch Leiterbahn zur elektrischen Energieverteilung. Über eine Busbar fließen elektrische Ströme in einem System zu und ab. Der englische Begriff findet zunehmend Verwendung im deutschen Fachjargon.

Die Sammelschiene besteht meist aus Kupfer oder Aluminium und wird bspw. in Wechselrichtern, PV-Modulen, Sicherungs- und Zählerschränken, Schaltanlagen oder Transformatoren verbaut. Die zu- und abgehenden Stromleitungen können per Steck- oder Schraubverbindung an die Sammelschiene angeschlossen werden. Ob massiv, flexibel, gebogen oder gedreht, Busbars können in einer Vielzahl an Formen und Größen verbaut werden.

Das Abbild einer Sammelschiene im industriellen Gebrauch verdeutlicht die Funktion des Stromleitens. Es zeigt auch, wie unterschiedlich die Dimensionen einer Busbar sein können. Während der Querschnitt einer Busbar im industriellen Gebrauch mehrere Zentimeter betragen kann, beläuft sich der Querschnitt einer Busbar in einem Solarmodul auf mehrere Mikro- bis einem Millimeter.

Stromleitfähigkeit von Busbars

Jeder Werkstoff weist eine spezifische Stromleitfähigkeit bei entsprechendem Gewicht auf. Das Material und der Materialquerschnitt entscheiden über die Verwendbarkeit in der elektrischen Energieverteilung. Durch eine hohe Leitfähigkeit wurde und wird Kupfer häufig als Material in Busbars eingesetzt. Die Entwicklung von leitfähigen Legierungen machen Aluminium zu einem leistungsfähigen und leichten Werkstoff. Zudem ist Aluminium eine günstigere Variante.

Je nach Breite und Dicke des verwendeten Materials und Betriebstemperatur ergeben sich unterschiedliche Werte für die Belastbarkeit (Ampere) unter Dauerstrom. Die Strombelastbarkeit von Busbars aus Kupfer ist durch die DIN 43671 genormt. Die DIN 43670 regelt die Strombelastbarkeit von Busbars aus Aluminium. Das Material und die Materialabmessung werden je nach der erforderlichen Strombelastbarkeit ausgelegt. Letztere gibt vor, wie viel Strom maximal sicher transportiert werden kann.

Tabelle: Strombelastbarkeit von Kupfer nach DIN 43671 unter 16,7 Hz und 35 °C Lufttemperatur (Nach DIN 43671). Alle Angaben ohne Gewähr.
Materialabmessung       Strombelastbarkeit (A) bei Gleich- und Wechselstrom      
Breite [mm] Dicke [mm] Querschnitt [mm2] Gewicht [kg/m] 65 °C 85 °C 105 °C 125 °C
12 2 24 0,209 108 140,4 167,4 189
15 2 30 0,262 128 166,4 198,4 224
15 3 45 0,396 162 210,6 251,1 283,5
20 2 40 0,351 162 210,6 251,1 283,5
20 3 60 0,529 204 265,2 316,2 357
20 5 100 0,882 274 356,2 424,7 479,5
20 10 200 1,77 428 556,4 663,4 749
25 3 75 0,663 245 318,5 379,8 428,8
25 5 125 1,11 327 425,1 506,9 572,3
30 3 90 0,796 286 371,8 443,3 500,5
30 5 150 1,33 380 494 589 665
30 10 300 2,66 579 752,7 897,5 1013
40 3 120 1,06 367 477,1 568,9 642,3
40 5 200 1,77 484 629,2 750,2 847
40 10 400 3,55 728 946,4 1128 1274
50 5 250 2,22 588 764,4 911,4 1029
50 10 500 4,44 875 1137,5 1356 1531
60 5 300 2,66 696 904,8 1079 1218
60 10 600 5,33 1020 1326 1581 1785
80 5 400 3,55 902 1172,6 1398 1579
80 10 800 7,11 1310 1703 2031 2293
100 5 500 4,44 1110 1443 1721 1943
100 10 1000 8,89 1600 2080 2480 2800
120 10 1200 10,7 1890 2457 2930 3308
160 10 1600 14,2 2470 3211 3829 4323
200 10 2000 17,8 3040 3952 4712 5320
Tabelle: Strombelastbarkeit von Aluminium nach DIN 43670 unter 16,7 Hz und 35 °C Lufttemperatur (Nach DIN 43670). Alle Angaben ohne Gewähr.
Materialabmessung   Aluminium blank  
Breite [mm] Dicke [mm] Querschnitt [mm²] 65 °C  
12    2   24    84    
 15    2   30  100  
 15    3   45  126  
 20    2   40  127  
 20    3   60  159  
 20    5   100  214  
 20    10   200  331  
 25    3   75  191  
 25    5   125  255  
 30    3   90  222  
 30    5   150  296  
 30   10   300  447  
 40    3 120  285  
 40    5   200  376  
 40    10 400  561  
 50    5   250  456  
 50  10 500  674  
 60    5   300  536  
 60   10 600  787  
 80    5   500  694  
 80   10 800 1010  
100    5 500  858  
100   10   1000 1240  
100   15   1500 1560  
120  10   1200 1460  
120 5 600 1830  
160 10 1600 1900  
160 10 1600 2370  
200 10 2000 2350  
200 10 2000 2920  
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Busbars in Solarmodulen

Bedeutung von Busbars

Sammelschienen werden auch in Solarmodulen für die gesammelte Stromleitung verwendet. Die Busbars verbinden die Solarzellen miteinander und gewährleisten so kürzere Wege für die elektrischen Ladungen. Von den Busbars ausgehend verlaufen Frontkontakte (auch Kontaktfinger) auf den Solarzellen. So entsteht ein feines Leitungsnetz auf der Solarzellenfläche.

Die Gestaltung des Leitungsnetzes aus Busbars und Frontkontakten bestimmt die Verschaltung von Solarzellen. Die Solarunternehmen verbauen je nach Modultyp zwischen 3 und 15 Busbars in einem Solarmodul. Die dünnen Metallstreifen tragen zum äußerlichen Erscheinungsbild von Modulen bei, da sie direkt über den Solarzellen verlaufen. Die Sammelschienen bestehen klassisch aus Silber, da Silber eine hohe Stromleitfähigkeit aufweist.

Leitungswiderstände durch Busbars senken

Die typischen Solarmodule mit 6-Zoll-Format nehmen zwischen 3, 4 oder 5 Busbars auf. Im Laufe der Weiterentwicklung hat sich die Zahl der Busbars erhöht. Je größer der Querschnitt einer Leitung desto geringer der Ohm’sche Widerstand. Betrachtet man die Summe der Busbar-Querschnitte in einem Solarmodul, stellt, im Falle einer Unterbrechung einer Sammelschiene, eine Erweiterung der Busbars zusätzliche Kapazitäten dar. Einfach gesagt: sind in einem Wassernetz die Wasserleitungen zur Hälfte gefüllt, kann zusätzliches Wasser transportiert werden. Die PV-Erzeugung wird also noch zuverlässiger.

Die erhöhte Redundanz durch die erhöhte Anzahl an Leiterbahnen (z. B. 5 Busbars) verbessert die Zuverlässigkeit der Module. Sollte es im Laufe des Modullebens zu einer teilweisen Unterbrechung der Leiterbahnen oder Kontaktfinger kommen, stehen die anderen zur Verfügung, welche den Stromfluss weiterhin sicher gewährleisten.

Eine erhöhte Anzahl an Busbars steigert die Effizienz des Moduls durch Verringerung des Serienwiderstands. Somit weisen, im Vergleich zu einem Modul mit 3 Busbars, Module mit 5 Busbars eine verbesserte Moduleffizienz auf.

Zusammengefasst ermöglichen Busbars eine Optimierung des Leistungsflusses durch einen geringeren elektrischen Widerstand, eine noch höhere Belastbarkeit der Solarmodule und eine Reduzierung des Zellen-Serienwiderstands.

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Verschaltung von Busbars

Forschung und Entwicklung arbeiten an weiteren technischen Effizienzpotentialendurch eine verbesserte Verschaltung von Solarzellen. Die Gestaltung und Verarbeitung von Busbars sind wesentliche Bestandteile der Forschung. Dabei stehen die Ressourceneffizienz und die Verschaltungstechnik im Fokus der Institute. Mit dem Ziel der weiteren Technologiekostenreduktion bei gleichzeitigen Effizienzsteigerungen entstehen kontinuierlich neue Techniken und Methoden.

Unter dem Begriff Metallisierung ist die Ausstattung der Solarzellen mit leitfähigem Material gefasst. Das ist erforderlich, damit der Solarstrom durch die Solarzellen fließen kann. Der Einsatz von Busbars und Kontaktfingern ist Teil der Metallisierung. Die Anordnung des leitfähigen Materials, also die Verschaltung der Solarzellen, bestimmt die Leistung und Effizienz des Solarmoduls.

Das (noch) marktübliche Verfahren der Verschaltung von Solarzellen basiert auf der Löttechnik. Dabei verlöten industrielle Anlagen Busbars bei einer Temperatur von über 200 °C auf den Solarzellen. Die Löttechnik löst eine thermomechanische Belastung bei den Solarzellen aus, weshalb das Verfahren bei temperatursensitiven Hocheffizienzzellen ungeeignet ist. Eine Weiterentwicklung der Löttechnik ist die kontaktlose Infrarot-Lichtlötung.

Statt der Lötung findet der Einsatz von elektrisch leitfähigem Kleber (Electrical Conductive Adhesive, ECA) immer breitere Anwendung. Mithilfe der Klebetechnologie können Busbars schonend und materialsparend verschaltet werden. Die Prozesstemperatur liegt dabei unter 180 °C.

Metallisierung durch Kontaktfinger und Busbars

Siebdruckverfahren zur Metallisierung

Die Drucktechnologie verwendet feinmaschige Siebe zur Metallisierung von Solarzellen. Das Feinlinien-Siebdruckverfahren erreicht Solarzellenkontakte (Kontaktfinger) mit Breiten von 19 Mikrometern. Die Silbereinsparungen belaufen sich auf rund 30 % im Vergleich zu herkömmlichen Druckverfahren. Auf diese Weise kann eine ressourcen- und leistungsoptimierte Verschaltung von Solarzellen mit Busbars und Frontkontakten realisiert werden. Die Feinlinien-Siebdruckmetallisierung entstand im Rahmen des Projektes „FINALE“ des ISE in Zusammenarbeit mit Industrieunternehmen.

Dispenstechnologie: Solarzellenkontakte aus der Tube

Mit der Dispenstechnologie können Solarzellen kontaktlos mit Busbars und Kontaktfingern ausgestattet werden. Ein Dispensautomatdruckt die metallische Paste durch Mikrometer kleine Düsen. Die aufgesetzten Busbars und Frontkontakte erreichen breiten von weniger als 35 Mikrometer. So kann der Ressourceneinsatz und die Verschattung auf Solarzellen gesenkt werden. Die Dispenstechnologie entstand in dem Projekt „Gecko“ aus einer Zusammenarbeit des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) mit den Industrieunternehmen Merck, Heraeus und Asys.

Ressourceneffizienz und Leistungssteigerung durch elektrisch leitfähige Kleber

Elektrisch leitfähige Klebstoffe (ECA) ermöglichen die elektrische Verschaltung von Solarzellen auf innovative Art und Weise. So können Solarzellen beliebig miteinander „verschaltet“ und angeordnet werden. Ein Folgeprodukt der innovativen Klebestoffe ist das Matrix-Schindelmodul des Solarherstellers M10 AG. In Zusammenarbeit mit dem ISE und im Rahmen des Projektes „Shirkan“ konnte ein effizientes und leistungsstarkes Solarmodul erstellt werden. Die besondere Schindelanordnung und Verklebung der Solarzellen ersetzt klassische Busbars, erhöht damit die potenzielle Solarfläche und erreicht besondere Leistungswerte bei Verschattung und Teilverschattung.

Busbars: Ausläufer in Solarmodulen?

Bereits seit einiger Zeit werden unter anderem hochleistungsfähige Heterojunction-, PERC- und TOPCon-Solarzellen durch elektrisch leitfähige Kleber verbunden. Die gelieferte Leitfähigkeit der Klebstoffe ersetzt den Einsatz von Busbars.

Eine Neuheit auf dem Markt stellt die Verbindung von Solarzellen durch Aluminiumfolien und Laserverfahren dar. Das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme (ISE) bietet mit der sog. FoilMet-Technologie ein ressourcenschonendes Verfahren für die busbarfreie Verschaltung von Solarzellen. Ein spezieller Laserschweiß-Prozess verbindet die Aluminiumfolie mit den Leiterbahnen und den Zwischenfingerbereichen der Siliziumnitrid-Oberfläche. Die FoilMet-Technologie spart bis zu 30 % Silber und bleihaltige Kupferverbinder ein. Aluminium ist zudem günstiger am Markt erhältlich.

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Häufige Fragen (FAQ) zu Busbars

Wozu werden Busbars benötigt?

Busbars sind metallische Leiter, die zur gesammelten Weiterleitung von elektrischer Energie in Energiesystemen verbaut werden. In Solarmodulen stellen Busbars eine effiziente Zu- und Ableitung von Strom zwischen den Solarzellen sicher.

Woraus bestehen Busbars?

Busbars können aus jedem leitfähigen Material erstellt werden. In der Regel wird jedoch Kupfer oder Aluminium verwendet. Mit einer höheren Leitfähigkeit finden meist Silber-Busbars Verwendung in Solarmodulen.

Wie viele Busbars sind sinnvoll?

Eine höhere Anzahl (≥5) an Busbars optimiert den Leistungsfluss durch einen geringeren elektrischen Widerstand, ermöglicht eine gesteigerte Belastbarkeit der Solarmodule und eine Reduzierung des Zellen-Serienwiderstands. Die Effizienz steigt bedingt mit der Anzahl an Busbars.

Wie werden Busbars in PV-Modulen befestigt?

Zur Verschaltung von Solarzellen werden Busbars mit der Solarzelle gelötet, verklebt oder durch einen Laserschweiß-Prozess verbunden.

Sind Busbars in Solarmodulen notwendig?

Nein, es kommt auf das Verfahren zur Verschaltung der Solarzellen an. Elektrisch leitfähige Kleber ermöglichen busbarfreie Verschaltungen von Solarzellen. Neue Laserschweiß-Prozesse lassen Silber-Busbars durch Aluminiumfolien ersetzen.

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