-
Technisches Anwendungsgebiet
-
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Prüfung von Solarmodulen oder Solarzellen auf potentialinduzierte Degradation, bei denen während eines Prüfzeitraums ein- oder mehrmals eine elektrische Prüfspannung zwischen der Vorderseite und/oder Rückseite des Solarmoduls und Solarzellen des Solarmoduls oder zwischen der Vorderseite und/oder Rückseite der Solarzelle und der Solarzelle unter simultaner Beleuchtung der Vorderseite und/oder Rückseite des Solarmoduls oder der Solarzelle angelegt wird und während und/oder nach Ablauf des Prüfzeitraums Eigenschaften des Solarmoduls oder der Solarzelle bestimmt werden, aus denen ein Maß für die potentialinduzierte Degradation und/oder deren Ausheilung ableitbar ist.
-
Durch die Serienschaltung von Solarmodulen in Freifeldanlagen addieren sich die Zellspannungen der einzelnen Module zu hohen negativen oder positiven Spannungswerten gegenüber dem geerdeten Rahmen oder Halteelementen des jeweiligen Moduls. Die vorderseitige Glasabdeckung und die rückseitige Glas- oder Polymerabdeckung des Solarmoduls stehen mit dem Rahmen oder Halteelementen in elektrischem Kontakt und sind dadurch je nach ihrer Oberflächenbeschaffenheit (Feuchte, Schmutz) ebenfalls geerdet. Als Folge der Spannungsdifferenz zwischen der Moduloberfläche einerseits und dem Halbleitermaterial der Solarzellen in Solarmodulen andererseits entsteht ein elektrisches Feld, das die Solarzellen schädigen kann, z.B. durch Ionenströme oder elektrochemische Prozesse. Diese Art der Schädigung wird als potentialinduzierte Degradation (PID) bezeichnet. Eine simultane Beleuchtung der Solarmodule kann diese Degradation verlangsamen oder vollständig stoppen. Aufgrund dieses Beleuchtungseffekts ergibt sich bei der Bewertung bzw. Prüfung von Solarmodulen oder Solarzellen auf Anfälligkeit für potentialinduzierte Degradation jedoch das Problem, dass die Aussagekraft von Tests ohne parallele Beleuchtung nur gering für den späteren Outdoor-Einsatz der Solarzellen oder Solarmodule ist.
-
Stand der Technik
-
Aus der
DE 10 2012 022 825 A1 ist ein Verfahren zur Prüfung der Anfälligkeit für potentialinduzierte Degradation bei Komponenten von Solarmodulen bekannt, das jedoch ohne simultane Beleuchtung durchgeführt wird. Bei dem Verfahren wird der Halbleiterkörper der Solarzelle mit der sich darauf befindlichen dielektrischen Schicht auf einer planen Metallauflage positioniert. Auf die dielektrische Schicht wird eine Polymerfolie sowie ggf. eine optisch transparente Deckplatte aufgelegt. Ein Stempel mit einer planen metallischen Kontaktfläche wird auf diesen Schichtstapel aufgedrückt. Zwischen der planen metallischen Kontaktfläche und der Metallauflage wird dann eine elektrische Prüfspannung angelegt und elektrische Eigenschaften der Solarzelle gemessen, während die elektrische Prüfspannung anliegt. Aus diesen elektrischen Eigenschaften bzw. deren zeitlichem Verlauf kann die potentialinduzierte Degradation der Solarzelle bestimmt werden.
-
Die
DE 10 2011 051 112 A1 beschreibt einen Aufbau zur Untersuchung der potentialinduzierten Degradation einer Solarzelle oder eines Solarmoduls, bei dem ein elektrisch leitfähiger Kunststoff mit Hilfe einer Druckplatte vollflächig auf die Vorderseite der Solarzelle oder des Solarmoduls gedrückt und eine elektrische Spannung zwischen dem leitfähigen Kunststoff und der jeweiligen Solarzelle bzw. der Solarzellenmatrix im Solarmodul angelegt wird. Auch bei diesem Verfahren erfolgt die Messung ohne eine simultane Beleuchtung.
-
Aus A. Masuda et al. „Effect of light irradiation during potential-induced degradation tests for p-type crystalline Si photovoltaic modules“, Japanese Journal of Applied Physics 57, 08RG13 (2018) ist ein Verfahren zur Messung potentialinduzierter Degradation unter simultaner Beleuchtung bekannt, bei dem in einer Prüfkammer eine hohe Luftfeuchtigkeit eingestellt wird, sodass sich ein transparenter elektrisch leitfähiger Flüssigkeitsfilm auf der Moduloberfläche ausbildet. Ein metallischer Kontakt am Rande des Moduls wird als elektrischer Kontakt für das Anlegen einer elektrischen Prüfspannung genutzt. Durch den elektrisch leitfähigen Film liegt dann die gesamte Oberfläche des Solarmoduls auf demselben elektrischen Potential. Auf diese Weise kann die Messung bei angelegter Prüfspannung unter simultaner Beleuchtung durchgeführt werden. Allerdings erfordert dieses Verfahren den Einsatz einer Klimakammer und ist dadurch gerätetechnisch aufwändig. Durch die Kondensation der Luftfeuchtigkeit an Vorder- und Rückseite des Solarmoduls liegen beide Seiten auf gleichem Potential. Eine getrennte Betrachtung und Bestimmung von Vorder- und Rückseiten-Ddegradationseffekten ist dadurch nicht möglich. Hinzu kommt, dass sich das Verkapselungsmaterial des Solarmoduls durch die hohe Luftfeuchtigkeit mit Wasser anreichert und dadurch das Testergebnis verfälschen kann. Eine Temperaturerhöhung zur Beschleunigung des Tests für industrienahe Anwendungen ist wegen der Verdunstung des Flüssigkeitsfilms nur beschränkt möglich.
-
W. Luo et al., „Investigation of the impact of illumination on the polarization-type potential-induced degradation of crystalline silicon phototovoltaic modules“, IEEE Journal of Photovoltaics Vol. 8, No. 5 (2018), Seiten 1168-1173 zeigen ein Verfahren zur Prüfung von Solarmodulen auf potentialinduzierte Degradation, bei dem transparentes elektrisch leitfähiges Ultraschallgel auf dem Solarmodul verteilt und zur Anlegung der elektrischen Prüfspannung mit einer metallischen Elektrode in Kontakt gebracht wird. Auch hierdurch kann die Messung unter simultaner Beleuchtung erfolgen. Für das Aufbringen der elektrisch leitfähigen, viskosen Flüssigkeit wird ein Klebestreifen am Modulrand angebracht, der als Auslaufschutz für die Flüssigkeit dient. Das Verfahren wurde an Einzel-Solarmodulen mit einer Fläche von ca. 20 cm x 20 cm durchgeführt. Eine Hochskalierung auf großflächige Solarmodule ist mit diesem Aufbau jedoch aufwändig. Durch die Verwendung einer Flüssigkeit ist der Test hinsichtlich Temperatur und Testdauer eingeschränkt und nur bedingt auf industrielle Bedürfnisse übertragbar, da das verwendete Gel potentiell bei hohen Temperaturen aushärten oder verdampfen und dabei lokal seine elektrische Leitfähigkeit verlieren kann. Auch die Lichtdurchlässigkeit des Gels kann sich während der Testdauer ändern. Da es sich bei potentialinduzierter Degradation um lokale Effekte handelt, ist die vollflächige Kontaktierung während des gesamten Testablaufes zur Erreichung eines zuverlässigen Testergebnisses aber zwingend erforderlich.
-
Die
US 2017 / 0 111 008 A1 offenbart eine Methode zum Verhindern oder Regenerieren potentialinduzierter Degradation an Photovoltaikmodulen, bei der ein Potential an eine auf einer Glasplatte am Modul aufgebrachte transparente elektrisch leitfähige Schicht angelegt wird.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Verfahren zur Prüfung von Solarmodulen oder Solarzellen auf potentialinduzierte Degradation anzugeben, mit dem die Prüfung in einfacher und kostengünstiger Weise unter simultaner Beleuchtung durchgeführt werden kann, und das sich auch für eine Prüfung im industriellen Bereich eignet.
-
Darstellung der Erfindung
-
Die Aufgabe wird mit dem Verfahren gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Verfahrens sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche oder lassen sich der nachfolgenden Beschreibung sowie dem Ausführungsbeispiel entnehmen.
-
Bei dem vorgeschlagenen Verfahren wird während eines Zeitraums kontinuierlich oder mehrmals eine elektrische Prüfspannung, insbesondere eine Hochspannung, zwischen der Vorderseite oder der Rückseite oder zwischen beiden Seiten des Solarmoduls und Solarzellen des Solarmoduls oder - bei Prüfung einer Solarzelle - zwischen der Vorderseite oder der Rückseite oder zwischen beiden Seiten der Solarzelle und der Solarzelle bei gleichzeitiger Beleuchtung der Vorderseite und/oder der Rückseite (insbesondere bei bifazialen Solarzellen) des Solarmoduls oder der Solarzelle angelegt. Während dieses Zeitraums und/oder nach diesem Zeitraum werden Eigenschaften, vorzugsweise elektrische Eigenschaften, des Solarmoduls oder der Solarzelle bestimmt, aus denen ein Maß für die potentialinduzierte Degradation ableitbar ist. Die elektrische Prüfspannung wird über einen planen metallischen Stempel angelegt, der im Falle des Solarmoduls vollflächig auf die Vorderseite und/oder Rückseite zumindest einer Teilfläche des Solarmoduls aufgelegt wird. Im Falle der Solarzelle wird ein Schichtstapel aus einer optisch transparenten Platte, vorzugsweise einer Glasplatte, und einer Zwischenschicht (zwischen Platte und Solarzelle) aus einem für Solarzellen geeigneten Verkapselungsmaterial auf die Vorderseite und/oder Rückseite der Solarzelle und der plane metallische Stempel auf die optisch transparente Platte aufgelegt. Die simultane Beleuchtung der Vorderseite und/oder Rückseite des Solarmoduls oder der Solarzelle erfolgt bei dem vorgeschlagenen Verfahren durch Einkopplung von Licht von der Seite in das optisch transparentes Deckglas des Solarmoduls oder in die optisch transparente Platte auf der Solarzelle.
-
Die Beleuchtung selbst erfolgt mittels geeigneter Lichtquellen, vorzugsweise durch Beleuchtung mittels LEDs. Die Beleuchtung kann dabei im ultravioletten, im sichtbaren oder auch im infraroten Spektralbereich erfolgen, vorzugsweise innerhalb eines Bereiches zwischen 380 nm und 1100 nm.
-
Durch die seitliche Einkopplung der Beleuchtung wird einerseits eine gleichzeitige Beleuchtung bei Anliegen der Prüfspannung ermöglicht und andererseits werden die in Verbindung mit den Flüssigkeitsfilmen beim Stand der Technik vorliegenden Nachteile vermieden. Es lassen sich damit Vorder- und Rückseiten-Degradationseffekte unabhängig voneinander vermessen. Die Messanordnung benötigt keine Klimakammer für die Prüfungen und ist daher mit geringem Geräteaufwand durchführbar. Das Verfahren ist hinsichtlich der zu vermessenden Fläche einfach auf größere Flächen hochskalierbar.
-
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich fertig produzierte größere Solarmodule oder auch Mini-Module, also Solarzellen inkl. Verkapselungsmaterial und vorderseitiger Glasabdeckung testen.
-
Das Verfahren lässt sich auch mit einzelnen Solarzellen durchführen, die für den Einsatz in Solarmodulen vorgesehen sind. Diese Solarzellen weisen zunächst nur einen Halbleiterkörper mit einer oder mehreren Metallisierungen zur elektrischen Kontaktierung auf. In diesem Fall wird bei dem Verfahren ein optisch transparenter Träger, vorzugsweise ein Glasträger, eingesetzt. Dieser Träger wird dann über eine Zwischenschicht aus einem für Solarmodule eingesetzten Verkapselungsmaterial auf die Solarzelle aufgelegt oder aufgedrückt. Die Beleuchtung wird seitlich in diesen Träger eingekoppelt. Träger und Verkapselungsmaterial werden dabei so gewählt und dimensioniert, wie dies für ein Verkapselungsmaterial und eine vorderseitige Glasabdeckung beim Einbau der Solarzelle in ein herzustellendes Solarmodul der Fall ist.
-
Das Solarmodul oder die Solarzelle wird zur Prüfung vorzugsweise auf eine plane Metallauflage aufgelegt, gegenüber der die elektrische Prüfspannung angelegt wird. Bei Bedarf kann eine Metallauflage mit einer integrierten Heizeinrichtung verwendet werden, über die das Solarmodul oder die Solarzelle auf eine gewünschte Prüfungstemperatur gebracht wird. Bei der Prüfung eines Solarmoduls kann die elektrische Prüfspannung auch zwischen dem planen metallischen Stempel und den elektrischen Modulanschlüssen angelegt werden. In diesem Fall ist dann keine Metallauflage erforderlich. Bei Nutzung einer Auflage, ggf. mit integrierter Heizeinrichtung, kann diese Auflage also auch aus einem anderen Material, bspw. einem Kunststoff, gebildet sein.
-
Die Messung selbst kann in unterschiedlicher Weise erfolgen, wie dies auch von den bisherigen Messungen zur Prüfung von Solarmodulen oder Solarzellen auf potentialinduzierte Degradation der Fall ist. So kann bspw. eine Leckstrommessung durchgeführt werden, bei der ein Stromfluss zwischen dem planen metallischen Stempel und der Metallauflage kontinuierlich oder in kurzen Zeitabständen gemessen wird. Auch eine Leistungsmessung, die Aufnahme von Strom-Spannungskennlinien, Messungen mittels Elektrolumineszenz, Photolumineszenz, Thermographie, Elektronenmikroskopie oder Massenspektrometrie sind möglich. Diese Messungen können sowohl während des Anliegens der Prüfspannung als auch nach dem Zeitraum durchgeführt werden, in dem die Prüfspannung angelegt wurde. Derartige Verfahren werden bereits bisher für die Bestimmung der potentialinduzierten Degradation von Solarmodulen eingesetzt, sodass an dieser Stelle nicht mehr näher darauf eingegangen wird.
-
Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich in der Fertigung von Solarmodulen vom eigentlichen Solarzellenprozess bis hin zur Modulfertigung einsetzen. Es ermöglicht einen Schnelltest von Solarzellen und Solarmodulen hinsichtlich ihrer Anfälligkeit auf PID und die Beurteilung der Relevanz eventueller Degradationsmoden im Feldbetrieb.
-
Figurenliste
-
Das vorgeschlagene Verfahren wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen nochmals kurz erläutert. Hierbei zeigen:
- 1 ein Beispiel für eine Anordnung zur Prüfung einer Solarzelle mit einem Verfahren, das in der vorliegenden Patentanmeldung nicht beansprucht wird;
- 2 ein Beispiel für den Aufbau einer Anordnung zur Vermessung von Solarmodulen mit einem Verfahren, das in der vorliegenden Patentanmeldung nicht beansprucht wird; und
- 3 ein Beispiel für die Prüfung einer Solarzelle gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren.
-
Wege zur Ausführung der Erfindung
-
Das vorgeschlagene Verfahren lässt sich sowohl zur beschleunigten Erzeugung potentialinduzierter Degradation an Solarzellen als auch an fertiggestellten Solarmodulen durchführen.
-
1 zeigt eine schematische Darstellung einer Anordnung zur Prüfung einer Solarzelle auf Anfälligkeit zur potentialinduzierten Degradation mit einem Verfahren, das in der vorliegenden Patentanmeldung nicht beansprucht wird. Die in Seitenansicht dargestellte Anordnung umfasst eine Kammer 1, in der ein Probenaufnahmetisch 2 mit einer Metallauflage 3 angeordnet ist. In die Metallauflage 3 ist eine elektrische Heizeinrichtung 4 integriert, mit der die Auflage über einen Temperaturregler 5 und einen Temperatursensor 6 auf eine vorgebbare Temperatur aufgeheizt und auf dieser Temperatur gehalten werden kann. Über der Metallauflage 3 ist eine Beleuchtungseinrichtung 7 angeordnet, mit der eine auf der Metallauflage 3 zur Prüfung aufgelegte Solarzelle 10 (voll-)flächig beleuchtet werden kann. Bei dieser Beleuchtungseinrichtung 7 kann es sich bspw. um ein zweidimensionales Array von LEDs handeln, die Licht in einem Wellenlängenbereich emittieren, in dem die Solarzelle aktiv ist.
-
Die Anordnung umfasst weiterhin eine Glasplatte 8, die mit einer TCO-Schicht 9 als elektrisch leitfähiger optisch transparenter Schicht beschichtet ist. Die Glasplatte 8 dient hierbei als optisch transparenter Träger der TCO-Schicht 9. Die lateralen Abmessungen (Länge, Breite) dieses Glasträgers 8 mit der TCO-Schicht 9 entsprechen denen der zu testenden Solarzelle 10 oder gehen darüber hinaus. Für die Prüfung wird auf die Solarzelle 10 zunächst ein Verkapselungsmaterial in Form einer Polymerfolie 11, bspw. aus EVA, aufgebracht. Auf diese Polymerfolie 11 wird dann der Glasträger 8 aufgelegt, wie dies in 1 dargestellt ist. Zwischen der TCO-Schicht 9 und der Metallauflage 3 wird dann über eine Hochspannungsquelle 12 eine Hochspannung von bspw. 1000 V angelegt, während die Solarzelle 10 über die Beleuchtungseinrichtung 7 beleuchtet wird, um potentialinduzierte Degradation unter realistischen Bedingungen hervorzurufen. Die Hochspannung verursacht im elektrischen Gleichfeld einen Drift von möglicherweise zwischen der TCO-Schicht 9 als oberer Elektrode und der geerdeten Metallauflage als unterer Elektrode vorhandenen beweglichen Ladungsträgern. Durch Einsatz einer Strommesseinrichtung 13 kann bspw. gleichzeitig eine mehrfache Aufzeichnung der I-V-Kennlinien erfolgen, die den Fortschritt der Degradation zeigen. Weiterhin kann im Anschluss an den jeweiligen Prüfungszeitraum, in dem die Hochspannung unter simultaner Beleuchtung angelegt wurde, die Solarzelle aus der Kammer 1 entnommen werden und mit anderen bekannten Verfahren hinsichtlich des Auftretens von PID charakterisiert werden.
-
2 zeigt ein Beispiel für eine mögliche Ausgestaltung einer Anordnung zur Prüfung von Solarmodulen 14, die bereits über eine Verkapselung und eine vorderseitige Glasabdeckung verfügen, mit einem Verfahren, das in der vorliegenden Patentanmeldung nicht beansprucht wird. Die Kammer 1 ist in diesem Beispiel als temperierbare lichtundurchlässige Kammer ausgebildet. Auf die vorderseitige Glasabdeckung des Solarmoduls 14 wird für die Prüfung eine TCO-Schicht 9 als elektrisch leitfähige optisch transparente Schicht aufgebracht. Die Rückseite des Solarmoduls 14 ist mit einer elektrisch leitfähigen Auflage, bspw. einer Metallauflage 3, in Kontakt. Damit liegen die Solarzellen auf dem gleichen Potential wie die elektrisch leitfähige Auflage. Zwischen der TCO-Schicht 9 und den Solarzellen im Modul wird auch hier über eine Hochspannungsquelle 12 eine Hochspannung von bspw. 1000 V angelegt, während das Solarmodul 14 über die Beleuchtungseinrichtung 7 beleuchtet wird, um potentialinduzierte Degradation unter realistischen Bedingungen hervorzurufen. Auch eine umgekehrte Polung wie in 2, d.h. mit geerdeter TCO-Schicht 9, ist möglich. Über die Messeinrichtung 13, die mit den Modulanschlüssen verbunden wird, kann beispielsweise eine I-V-Kennlinie aufgezeichnet werden, aus der ein Fortschritt der Degradation ermittelt werden kann.
-
In 3 ist ein Beispiel für die Prüfung einer Solarzelle 10 gemäß dem vorgeschlagenen Verfahren dargestellt. Im Unterschied zur Anordnung der 1 kann in dieser Alternative für das Anlegen der Hochspannung ein massiger metallischer Stempel 15 eingesetzt werden. Auf die Solarzelle 10 werden wiederum wie bei 1 eine Polymerfolie 11, bspw. aus EVA, als Verkapselungsmaterial und eine Glasplatte 8 aufgelegt. Die Lichtquelle bzw. Beleuchtungseinrichtung 7 wird bei dieser Alternative seitlich, an mindestens einer Seite angebracht. Die gegenüberliegende Seite ist mit einem optischen Reflektor 16 versehen. Der metallische Stempel 15 ist ebenfalls reflektierend. Bei seitlichem Lichteinfall wird das Licht durch Totalreflexion an der oberen Grenzfläche (zum Stempel 15) in Richtung Reflektor 16 geleitet. Nach unten hin jedoch, wird das Licht durch optische Ankopplung mit ähnlichem Brechungsindex (Polymerfolie 11) zur Solarzelle hin ausgekoppelt. Dadurch kann trotz metallischem Stempel 15 an der Oberseite eine simultane Beleuchtung der Solarzelle 10 erfolgen.
-
Die anderen in 3 erkennbaren Komponenten der Anordnung entsprechen denen der Anordnung der 1.
-
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren lassen sich kostengünstig und in einfacher Weise Solarzellen oder Solarmodule auf die Anfälligkeit für potentialinduzierte Degradation testen. Es lassen sich I-V-Kennlinien bzw. Kennwerte der Solarzellen oder Solarmodule unter Beleuchtung während des jeweiligen PID-Tests messen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Kammer
- 2
- Probenaufnahmetisch
- 3
- Metallauflage
- 4
- Heizeinrichtung
- 5
- Temperaturregler
- 6
- Temperatursensor
- 7
- Beleuchtungseinrichtung
- 8
- Glasplatte/Glasträger
- 9
- TCO-Schicht
- 10
- Solarzelle
- 11
- Polymerfolie
- 12
- Hochspannungsquelle
- 13
- Messeinrichtung
- 14
- Solarmodul
- 15
- planer Metallstempel
- 16
- optischer Reflektor
