DE102009025998A1 - Wirkungsgradstabilisierungsverfahren für Solarzellen - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wirkungsgradstabilisierungsverfahren für Solarzellen (20), bei dem eine Solarzelle (20) im Anschluss an seine Herstellung einem Wirkungsgradstabilisierungsschritt (102) unterzogen wird, welcher ein Anlegen einer Vorwärtsspannung an die Solarzelle (20) umfasst.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Wirkungsgradstabilisierungsverfahren für Solarzellen.
  • Die Meisten Solarzellen weisen unmittelbar nach der Herstellung und somit in neuem Zustand einen höheren Wirkungsgrad auf, als nach einem Zeitraum der Benutzung. Die aufgrund der Benutzung stattfindende Degradation einer Solarzelle kann je nach Solarzellenart und Herstellungsverfahren zum Teil erheblich sein. Der Wirkungsgrad stabilisiert sich jedoch nach einer Zeitperiode der Benutzung.
  • Aus diesem Grund wird bei der Bestimmung des Verkaufspreises von Solarzellen und Solarzellen-Modulen häufig der stabilisierte Wirkungsgrad zugrunde gelegt. Hierzu werden Solarzellen einer Fertigungsreihe stichprobenhaft degradiert und aus den Ergebnissen eine durchschnittliche oder eine maximale relative Degradation für alle Solarzellen der Fertigungsreihe errechnet oder geschätzt. Dieser geschätzte Degradationsfaktor wird als Wirkungsgradabschlag bei der Verkaufspreisbestimmung der Solarzellen berücksichtigt.
  • Diese Vorgehensweise hat jedoch den Nachteil, dass aufgrund der stichprobenhaften Behandlung lediglich ein durchschnittlicher stabilisierter Wirkungsgrad für die gesamte Fertigungsreihe ermittelt werden kann, wobei die Wirkungsgrade der einzelnen Solarzellen in der Fertigungsreihe zum Teil erheblich voneinander abweichen können. Die Degradation der Solarzellen wird gewöhnlich mittels Beleuchten und/oder Erwärmen der ausgewählten Solarzellen erreicht. Dieses Verfahren ist jedoch Kosten- und Zeitaufwändig, weshalb es bei den Solarzellen nur stichprobenhaft durchgeführt wird und nicht bei allen Solarzellen.
  • Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein effizientes sowie kostengünstiges Wirkungsgradstabilisierungsverfahren für Solarzellen bereitzustellen, das mit geringem Aufwand anwendbar ist.
  • Die Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch ein Wirkungsgradstabilisierungsverfahren mit den Merkmalen des Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt.
  • Die Erfindung beruht auf den Gedanken, eine Degradation der Solarzelle anstelle mittels einer Beleuchtung, mit Hilfe einer an die Solarzelle angelegten Vorwärtsspannung zu erreichen, um die Solarzelle in einen Zustand eines stabilen Wirkungsgrades zu versetzen. Hierbei bedeutet Vorwärtsspannung, dass eine Spannung so angelegt wird, dass der aktive Bereich der Solarzelle in Durchlassrichtung gepolt wird. Bei dem aktiven Bereich handelt es sich in der Regel um einen np-Übergang, wobei das Verfahren jedoch auch auf andere Arten von aktiven Bereichen anwendbar ist, beispielsweise auf Heteroübergänge, Shottky-Übergänge oder dergleichen.
  • Dieses Wirkungsgradstabilisierungsverfahren ist mit geringem Aufwand und kostengünstig durchführbar. Aus diesem Grund kann es an im Wesentlichen allen Solarzellen in einer Fertigungsreihe durchgeführt werden. Im Anschluss an den Wirkungsgradstabilisierungsschritt können die Solarzellen getestet und entsprechend ihrer stabilisierten Wirkungsgrade in Wirkungsgradgruppen sortieren werden. Somit kann eine genaue Charakterisierung jeder einzelnen Solarzelle mit relativ geringem Aufwand durchgeführt werden. Es ist dann möglich, nur die Solarzellen einer gemeinsamen Wirkungsgradgruppe in einem Modul zu verschalten.
  • In einer vorteilhaften Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Solarzelle während des Anliegens der Vorwärtsspannung im Wesentlichen nicht beleuchtet wird. Dies bedeutet, dass keine gezielte Beleuchtung der Solarzellenoberfläche stattfindet. Möglich ist jedoch eine gegebenenfalls vorhandene Raumbeleuchtung, die zu einer Bestrahlungsstärke auf der Solarzellenoberfläche von weniger als etwa 50 W/m2 führt, vorzugsweise von weniger als etwa 20 W/m2, eher bevorzugt von weniger als etwa 10 W/m2.
  • In einer besonderen Ausführungsform ist der Bereich, in dem die Wirkungsgradstabilisierung durchgeführt wird vollständig abgedunkelt, so dass während des Anliegens der Vorwärtsspannung im Wesentlichen kein Licht die Solarzellenoberfläche erreicht. Mit anderen Worten, eine Beleuchtung der Solarzelle ist nicht notwendig, so dass die Solarzellen auch in einer schwer belichtbaren, da beispielsweise sich gegenseitig abschattenden, Anordnung dem Wirkungsgradstabilisierungsverfahren unterzogen werden können.
  • Gemäß einer zweckmäßigen Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Solarzelle während des Anliegens der Vorwärtsspannung erwärmt wird. Zweckmäßigerweise ist hierbei vorgesehen, dass die Solarzelle auf eine Heiztemperatur von etwa 60°C bis 140°C, vorzugsweise von etwa 90°C bis 120°C, erwärmt wird. Die Erwärmung kann mittels einer externen Wärmequelle erfolgen, zum Beispiel in einem hierfür vorgesehenen Ofen.
  • Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die Erwärmung der Solarzelle im Wesentlichen mittels der angelegten Vorwärtsspannung erfolgt. Mit anderen Worten, die Erwärmung der Solarzelle erfolgt lediglich aufgrund des Stromflusses in der Solarzelle und es werden keine externen Wärmequellen verwendet. Dies hat den Vorteil, dass das Verfahren zusätzlich vereinfacht wird, da außer einer Spannungsquelle keine weiteren Heizvorrichtungen benötigt werden. Die Steuerung des Wirkungsgradstabilisierungsverfahrens erfolgt mittels Regelung eines einzigen Parameters, nämlich der Vorwärtsspannung. Das Wirkungsgradstabilisierungsverfahren kann beispielsweise bei einer Umgebungstemperatur von etwa 10°C bis 30°C, vorzugsweise bei etwa 20°C, durchgeführt werden.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vorgesehen, dass mit Hilfe zuvor gemessener und/oder errechneter Temperaturkennlinien die Solarzelle mittels Steuerung der angelegten Vorwärtsspannung auf eine vorgegebene Heiztemperatur erwärmt wird. Mittels der Temperaturkennlinien kann zu jeder Kombination aus angelegter Vorwärtsspannung und daraus sich einstellendem Vorwärtsstrom die Temperatur ermittelt werden, welche in der Solarzelle beziehungsweise auf der Solarzellenoberfläche herrscht. Umgekehrt kann bei bekannter Anfangstemperatur ermittelt werden, welche Vorwärtsspannung über welchen Zeitraum angelegt werden muss, um sich der gewünschten Heiztemperatur zu nähern.
  • Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung ist vorgesehen, dass die Temperatur der Solarzelle mittels eines Regelungsprozesses im Wesentlichen auf der Heiztemperatur gehalten wird. Mittels dieser Ausführungsform kann eine gewünschte Heiztemperatur für die Solarzelle in einem iterativen Prozess erreicht und/oder gehalten werden. Dieser iterative Heizprozess kann beispielsweise folgendermaßen aussehen, wobei die genannten Zahlenwerte vorteilhafte Ausführungsbeispiele darstellen: In einer Heizphase wird ein Strom, zum Beispiel mit einer Stromdichte in der Größenordnung von etwa 4 bis 35 mA/cm2 mittels Anlegen einer Spannung von etwa 0,5 bis 0,8 V in die Solarzelle eingeprägt. Die dabei eingetragene Leistung erhöht die Temperatur der Solarzelle.
  • In einer anschließenden Haltephase wird an die Solarzelle eine Spannung von etwa 0,25 bis 0,4 V angelegt, so dass ein geringer Strom mit einer Stromdichte in der Größenordnung von etwa 0,2 bis 1,5 mA/cm2 durch die Solarzelle fließt. Die hierbei eingetragene Leistung reicht nicht aus, um die in der Heizphase erreichte Temperatur zu halten. Die Temperatur sinkt ab. Eine Regelungsvorrichtung misst die Spannung bei konstantem eingeprägtem Strom während der Heizphase. Fällt diese Spannung unter einen definierten Spannungsschwellenwert ab, wird wieder in die Haltephase umgeschaltet. Während der Haltephase wird der Strom gemessen, der sich aus der anliegenden konstanten Spannung ergibt. Fällt der Strom unter einen Stromschwellenwert ab, dann wird wieder in die Heizphase umgeschaltet.
  • Vorteilhafterweise ist vorgesehen, dass mehrere Solarzellen gleichzeitig in einer Serien- und/oder Parallelschaltung dem Wirkungsgradstabilisierungsschritt unterzogen werden. Dies hat den Vorteil, dass das Wirkungsgradstabilisierungsverfahren noch schneller durchgeführt werden kann. Für eine Serienschaltung brauchen beidseitig kontaktierte Solarzellen lediglich aufeinandergelegt zu werden. Beispielsweise können etwa 70 Solarzellen mit einer einzelnen Spannungsquelle gemeinsam dem Wirkungsgradstabilisierungsschritt unterzogen werden. Im Fall einer Serienverschaltung der etwa 70 Solarzellen kann die Spannungsquelle während einer Heizphase eine Spannung von etwa 48 V und während einer Haltephase eine Spannung von etwa 24 V liefern, wenn der vorangehend erläuterte iterative Heizprozess angewendet wird.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die mehreren Solarzellen während des Wirkungsgradstabilisierungsschrittes übereinander gestapelt sind. In diese platzsparende Anordnung können die Solarzellen beispielsweise aus einem üblichen Waferhalter heraus überführt werden. Der Stapel aus Solarzellen hat zudem den Vorteil, dass eine Beleuchtung der Solarzellenoberflächen auf einfachem Wege verhindert werden kann, da sich benachbarte Solarzellen gegenseitig abschatten können. Darüber hinaus befinden sich die Solarzellen in einem solchen Stapel aufgrund ihrer Nähe zueinander in einer im Wesentlichen gleichen Umgebung, so dass die Reproduzierbarkeit der Ergebnisse bei dem Wirkungsgradstabilisierungsverfahren verbessert wird.
  • Bevorzugterweise ist vorgesehen, dass die mehreren Solarzellen mit flächigen Elektroden alternierend in einem Stapel angeordnet werden und an den flächigen Elektroden anschließend die Vorwärtsspannung angelegt wird. Die flächigen Elektroden sind vorzugsweise aus Metallplatten gebildet, die zwischen den Solarzellen angeordnet werden. Diese Ausführungsform ist für beidseitig kontaktierte Solarzellen geeignet, welche in dem Stapel abwechselnd mit einer Emitterkontaktseite und mit einer Basiskontaktseite in eine Stapelrichtung angeordnet werden, so dass beim Anlegen der Vorwärtsspannung in dem Stapel aufeinander folgende flächige Elektroden unterschiedliche Polaritäten aufweisen.
  • Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Solarzelle oder die mehreren Solarzellen während des Wirkungsgradstabilisierungsschrittes von einer wärmedämmenden Hülle zumindest teilweise umgeben sind. Die wärmedämmende Hülle vermindert den Wärmeverlust der Solarzelle(n) während des Wirkungsgradstabilisierungsschrittes, so dass ein geringerer Energieeintrag in die/den Solarzelle(n) notwendig oder umgekehrt bei gleichem Energieeintrag eine schnellere Aufheizung der Solarzelle(n) möglich ist. Wenn die Solarzellen in einem Stapel angeordnet sind, kann es sich bei der Hülle beispielsweise um einen zylindrischen Behälter handeln.
  • Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Hierbei zeigen:
  • 1 ein Flussdiagramm des Wirkungsgradstabilisierungsverfahrens für Solarzellen in einer bevorzugten Ausführungsform;
  • 2 ein schematisches Kennliniendiagramm zur Veranschaulichung eines iterativen Heizprozesses; und
  • 3 eine Stapelanordnung von Solarzellen zur Durchführung des Wirkungsgradstabilisierungsverfahrens gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform.
  • Die 1 veranschaulicht anhand eines Flussdiagramms das Wirkungsgradstabilisierungsverfahrens gemäß einer bevorzugten Ausführungsform. Hierbei werden Solarzellen aus einer Fertigungsreihe in einem Kontaktierschritt 101 nach der Herstellung zunächst kontaktiert. Es folgt ein Wirkungsgradstabilisierungsschritt 102, bei dem an den Solarzellen eine Vorwärtsspannung angelegt wird. Beispielsweise kann es sich um eine konstante Vorwärtsspannung handeln. Alternativ kann die Vorwärtsspannung so gewählt sein, dass ein konstanter Vorwärtsstrom durch die Solarzellen fließt. Andere, aufwendigere Wirkungsgradstabilisierungsschritte 102 sind ebenfalls möglich, von denen einer nachfolgend als iterativer Heizprozess anhand der 2 beschrieben wird.
  • Im Anschluss an den Wirkungsgradstabilisierungsschritt 102, bei dem die Solarzellen degradiert werden, bis sich jeweils stabilisierte Wirkungsgrade einstellen, wird in einem Messschritt 103 der Wirkungsgrad jeder einzelnen wirkungsgradstabilisierten Solarzelle gemessen. Die Solarzellen werden dann in einem Sortierungsschritt 104 in zwei oder mehr Wirkungsgradgruppen eingeteilt. Schließlich werden mehrere Solarzellen aus einer Wirkungsgradgruppe in einem Verschaltungsschritt 105 zu einem Solarzellenmodul zusammengeschaltet.
  • Einen bevorzugten Heizprozess während des Wirkungsgradstabilisierungsschrittes 102, bei dem das Erwärmen der Solarzelle im Wesentlichen ausschließlich mittels der angelegten Vorwärtsspannung erfolgt, wird im Folgenden anhand eines in der 2 dargestellten schematischen Kennliniendiagramms erläutert. Die hier verwendeten Temperaturen sind lediglich Beispielswerte.
  • Entlang der Abszisse ist eine an eine Solarzelle angelegte Spannung (U) linear aufgetragen, während entlang der Ordinate der durch die Solarzelle fließende Strom (I) logarithmisch aufgetragen ist. Da es sich lediglich um eine schematische Darstellung handelt, ist keine Skalierung angegeben. Das Diagramm zeigt beispielhaft vier Kennlinien 10, welche jeweils einen sich einstellenden Strom durch die Solarzelle in Abhängigkeit von der angelegten Vorwärtsspannung für vier unterschiedliche Temperaturwerte angeben, nämlich für 20°C, 60°C, 100°C und 140°C.
  • Bei einem iterativen Heizprozess liegt die Solarzelle zunächst bei einer Temperatur von 20°C vor, so dass die entsprechende 20°C-Kennlinie 10 relevant ist. Mit Hilfe des Heizprozesses soll sich die Temperatur der Solarzelle einer gewünschten Heiztemperatur nähern, die zwischen 100°C und 140°C liegt und im Kennliniendiagramm einem Zielarbeitspunkt 6 entspricht, welcher auf einer gestrichelt dargestellten Zielkennlinie 11 liegt.
  • Es wird ein konstanter Heizstrom I1 in die Solarzelle eingeprägt, so dass sich die Solarzelle in einem ersten Arbeitspunkt befindet, der einem Heizphasenbeginn 1 entspricht. Aufgrund des konstanten Heizstromes I1 erwärmt sich die Solarzelle, im dargestellten Fall auf etwa 140°C, so dass nun die 140°C-Kennlinie 10 relevant ist und sich die Solarzelle in einem Arbeitspunkt befindet, der einem Heizphasenende 2 entspricht.
  • An diesem Punkt wird, beispielsweise getriggert mittels eines Schwellenwertvergleiches, anstelle einer variablen Spannung zum Aufrechterhalten des im Wesentlichen konstanten Heizstromes I1 eine niedrigere im Wesentlichen konstante Haltespannung U2 an die Solarzelle angelegt, so dass sich ein neuer Arbeitspunkt am Haltephasenbeginn 3 einstellt. Während der Haltephase ist die in die Solarzelle eingetragene Leistung zu gering, um die Temperatur zu halten. Deshalb sinkt die Temperatur an der Solarzelle ab, im dargestellten Fall auf etwa 100°C, und der Arbeitspunkt verschiebt sich entsprechend zu einem Haltephasenende 4 hin, der sich auf der 100°C-Kennlinie 10 befindet.
  • In einem nächsten Schritt wird der Solarzelle, gegebenenfalls wiederum durch einen Schwellenwertvergleich getriggert, ein im Wesentlichen konstanter Strom I1 zugeführt, so dass sich ein Arbeitspunkt an einem weiteren Heizphasenbeginn 5 einstellt. Damit beginnt ein weiterer Heizzyklus im iterativen Heizprozess. Auf diese Weise bleibt der tatsächliche Arbeitspunkt nahe dem Zielarbeitspunkt 6 und umkreist diesen im Kennliniendiagramm. Alternativ kann im weiteren Heizzyklus ein Strom (in der 2 nicht dargestellt) eingestellt werden, der unterhalb des konstanten Heizstromes I1 liegt und einem näher am Zielarbeitspunkt 6 liegenden Arbeitspunkt entspricht.
  • Weitere Modifikationen zu dem hier erläuterten Heizprozess sind möglich. Beispielsweise kann der Heizstrom I1 ausgehend vom Heizphasenbeginn 1 derart moduliert werden, dass bereits in einem ersten Heizzyklus die gewünschte Temperatur erreicht wird, die dem Zielarbeitspunkt 6 entspricht.
  • Die 3 zeigt in einer schematischen Darstellung einen Stapel aus Solarzellen 20 und Elektroden 22, die alternierend aufeinander angeordnet sind. Die Solarzellen 20 sind zwischen den flächenförmigen Elektroden 22 so angeordnet, dass jede Elektrode 22 mit Kontakten zweier Solarzellen 20 mit gleicher Polarität in Berührung kommt, also entweder mit den Emitterkontakten oder mit den Basiskontakten der beiden benachbarten Solarzellen 20. Somit sind aufeinander folgende Solarzellen 20 paarweise in umgekehrter Orientierung aufeinander gestapelt.
  • Alternativ kann es sich bei der 3 um die Darstellung von mehreren Solarzellenstapeln 20 handeln, welche jeweils mehrere aufeinandergestapelte und somit miteinander seriell verbundene Solarzellen umfassen. In diesem Fall sind es diese Solarzellenstapel 20, welche mit abwechselnder räumlicher Orientierung alternierend mit den Elektroden 22 aufeinander angeordnet. Auf diese Weise können beispielsweise mit einer Spannungsquelle mit begrenzter Maximalspannung (zum Beispiel 48 V) mehrere derartiger Solarzellenstapel 20 gleichzeitig behandelt werden.
  • Elektroden 22 gleicher Polarität sind wie in der 3 dargestellt miteinander verbunden und an einer Anschlussklemme 24 einer Spannungsquelle angeschlossen. Anders als bei der eingangs erläuterten Anordnung, bei der eine Spannungsquelle mit 48 V an eine Serienschaltung von Solarzellen angelegt werden kann, sind die Solarzellen 20 in der vorliegenden Stapelanordnung in einer Parallelschaltung verschaltet, so dass die an den Anschlussklemmen 24 anliegende Vorwärtsspannung einer an einer einzelnen Solarzelle anzulegenden Vorwärtsspannung entsprechen muss.
    • 101
    Kontaktierschritt
    102
    Wirkungsgradstabilisierungsschritt
    103
    Messschritt
    104
    Sortierungsschritt
    105
    Verschaltungsschritt
    1
    Heizphasenbeginn
    2
    Heizphasenende
    3
    Haltephasenbeginn
    4
    Haltephasenende
    5
    Heizphasenbeginn zweiter Zyklus
    6
    Zielarbeitspunkt
    10
    Kennlinien
    11
    Zielkennlinie
    I1
    Heizstrom
    U2
    Haltespannung
    20
    Solarzellen/Solarzellenstapel
    22
    Elektroden
    24
    Anschlussklemmen

Claims (11)

  1. Wirkungsgradstabilisierungsverfahren für Solarzellen (20), bei dem eine Solarzelle (20) im Anschluss an seiner Herstellung einem Wirkungsgradstabilisierungsschritt (102) unterzogen wird, welches ein Anlegen einer Vorwärtsspannung an die Solarzelle (20) umfasst.
  2. Wirkungsgradstabilisierungsverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (20) während des Anliegens der Vorwärtsspannung im Wesentlichen nicht beleuchtet wird.
  3. Wirkungsgradstabilisierungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (20) während des Anliegens der Vorwärtsspannung erwärmt wird.
  4. Wirkungsgradstabilisierungsverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (20) während des Anliegens der Vorwärtsspannung auf eine Heiztemperatur von etwa 60°C bis 140°C, vorzugsweise von etwa 90°C bis 120°C, erwärmt wird.
  5. Wirkungsgradstabilisierungsverfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Erwärmung der Solarzelle (20) im Wesentlichen mittels der angelegten Vorwärtsspannung erfolgt.
  6. Wirkungsgradstabilisierungsverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass mit Hilfe zuvor gemessener und/oder errechneter Temperaturkennlinien (10, 11) die Solarzelle (20) mittels Steuerung der angelegten Vorwärtsspannung auf eine vorgegebene Heiztemperatur erwärmt wird.
  7. Wirkungsgradstabilisierungsverfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Temperatur der Solarzelle (20) mittels eines Regelungsprozesses im Wesentlichen auf der Heiztemperatur gehalten wird.
  8. Wirkungsgradstabilisierungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Solarzellen (20) gleichzeitig in einer Serien- und/oder Parallelschaltung dem Wirkungsgradstabilisierungsschritt (102) unterzogen werden.
  9. Wirkungsgradstabilisierungsverfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Solarzellen (20) während des Wirkungsgradstabilisierungsschrittes (102) übereinander gestapelt sind.
  10. Wirkungsgradstabilisierungsverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die mehreren Solarzellen (20) mit flächigen Elektroden (22) alternierend in einem Stapel angeordnet werden und an den flächigen Elektroden (22) anschließend die Vorwärtsspannung angelegt wird.
  11. Wirkungsgradstabilisierungsverfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzelle (20) oder die mehreren Solarzellen (20) während des Wirkungsgradstabilisierungsschrittes (102) von einer wärmedämmenden Hülle zumindest teilweise umgeben sind.
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