DE112012006365T5

DE112012006365T5 - Bewertungsverfahren für Photovoltaikelemente, Messsystemkonfiguration und Vorgang der Verwendung einer Messsystemkonfiguration

Info

Publication number: DE112012006365T5
Application number: DE201211006365
Authority: DE
Inventors: Christos Monokroussos; Damien Etienne
Original assignee: TUEV Rheinland (Shanghai) Co Ltd; TUEV RHEINLAND SHANGHAI CO
Current assignee: TUEV Rheinland (Shanghai) Co Ltd; TUEV RHEINLAND SHANGHAI CO
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2012-05-14
Publication date: 2015-01-29
Also published as: US20150127276A1; JP6140814B2; WO2013170422A1; CN104641551A; US10305423B2; EP2850441A1; CN104641551B; EP2850441A4; JP2015519864A; EP2850441B1

Abstract

Es werden ein Bewertungsverfahren für ein Photovoltaikelement (1), eine Messsystemkonfiguration (8) zum Durchführen von zeitlich gesteuerten Messungen von Strom-Spannungs-Kennlinien von austauschbaren Photovoltaikelementen (1) und ein Bewertungsvorgang mit Verwendung der Messsystemkonfiguration (8) bereitgestellt. Das Verfahren umfasst eine zeitlich gesteuerte Messung einer Strom-Spannungs-Kennlinie eines Photovoltaikelements (1), das in einer Messschaltung angeordnet wird, um mindestens einen elektrischen Strom und/oder eine elektrische Spannung der Strom-Spannungs-Kennlinie zu messen, ein Belichten des Photovoltaikelements (1) mit mindestens einem kurzen Lichtblitz mit einer diskreten Belichtungsdauer und das Durchführen einer Reihe von Messschritten während der Belichtungsdauer. Der kurze Lichtblitz wird von einem pulsbaren lichtemittierenden Element (2) erzeugt. Die Messschritte umfassen das schrittweise Ändern mindestens eines der Parameter elektrische Stromstärke, elektrische Spannung, oder Impedanzlast und das Abtasten mindestens eines Wertes, der mit mindestens einem der anderen Parameter elektrische Stromstärke, elektrische Spannung, oder Impedanzlast in Beziehung steht. Kapazitätsbedingte Hysterese-Effekte werden bei der Strom-Spannungs-Messung des Photovoltaikelements (1) vermieden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Bewertungsverfahren für Photovoltaikelemente zur Durchführung einer zeitlich gesteuerten Messung einer Strom-Spannungs-Kennlinie eines Photovoltaikelements. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine Messsystemkonfiguration zur Durchführung von zeitlich gesteuerten Messungen von Strom-Spannungs-Kennlinien austauschbarer Photovoltaikelemente. Darüber hinaus wird zur Verwendung der Messsystemkonfiguration ein Bewertungsvorgang vorgeschlagen.
Eine Klassifizierung und insbesondere eine Messung von Strom-Spannungs-Kennlinien von Photovoltaikelementen erfolgt üblicherweise mit pulsbaren lichtemitierenden Elementen, die als Simulatoren von Sonnenlichteinstrahlung genutzt werden. Diese Art der Messungen und Klassifizierung von Photovoltaikelementen wird allgemein als Rückgrat der Photovoltaikbewertung betrachtet. Dennoch stellen Leistungsmessungen an hocheffizienten Photovoltaikelementen, die auf der c-Si-Technologie basieren, speziell Rückkontakt- oder Heteroübergangs-Technologien, seit mindestens zwei Jahrzehnten eine Herausforderung für die Photovoltaik-Forschergemeinde dar. Für diese Technologien wurden von Testanordnungen deutlich unterschiedliche Nennleistungen für die gleichen Proben gemeldet. Die beobachteten Abweichungen wurden hauptsächlich der inneren Kapazität der in den Tests verwendeten Photovoltaikelemente zugeschrieben. Ein Grund dafür ist darin zu sehen, dass die innere Kapazität typischerweise in Bereich von Größenordnungen höher als die typischer industrieller Silicium-Solarzellen liegt. Die Kapazität bewirkt typischerweise Hysterese-Effekte beim Ansprechen der Photovoltaikelemente auf eine sich ändernde angelegte Spannung, sich ändernde Stromstärke und/oder sich ändernde Lichtintensität. Dadurch werden Strom-Spannungs-Messungen von Hochkapazitäts-Modulen durch Durchlaufzeit- und Durchlaufrichtungseffekte beeinflusst.
Eine Lösung für dieses Problem kann darin bestehen, dass Messungen in Solarsimulatoren mit sehr langen Pulszeiten (> 100 ms) durchgeführt werden. Dies stellt jedoch eine kostenträchtige Lösung dar, bei der außerdem zusätzlich Probleme aufgrund einer Aufheizung des Moduls auftreten können. Von verschiedenen Forschern wurden alternative Verfahren zur exakten Beurteilung hochkapazitiver Module in gepulsten Simulatoren und/oder Blitzsimulatoren vorgeschlagen. Die meisten dieser Verfahren beruhen auf einer Ausdehnung der Durchlaufzeit auf mehr als 100 ms durch Unterteilung der Strom-Spannungs-Verfolgung auf punktweiser oder abschnittsweiser Grundlage. Solche Verfahren sind effektiv, jedoch zeitaufwendig, da die Auslaufzeit zwischen den Blitzen bei Xenonlampen beträchtlich ist. Von Sinton, R. A. Sinton, 21. EU PVSEC, (2006); S. 634–638 wurde ein Verfahren vorgeschlagen, mit dem sich der Einfluss von transienten Fehlern während eines Multiblitz-Tests minimieren lässt. Das Ergebnis wurde erzielt durch Anlegen einer speziellen Spannungsmodulation an die Anschlüsse der Zelle oder des Moduls unter einem Lichtimpuls veränderlicher Intensität. Die Spanungsmodulation wird mit dem Lichtimpuls synchronisiert, um die gespeicherte Ladung in dem Testobjekt konstant zu halten. Der Betrieb erfolgt mit Simulatoren mit sehr kurzen Impulsen und hohen Wiederholraten, er ist jedoch anfällig für die typischen Nachteile von Multiblitz-Verfahren mit sehr kurzen Impulsen.
Mit den vorstehenden Ansätzen ist es möglich, hocheffiziente, hochkapazitive kristalline Photovoltaikelemente exakt zu bewerten durch Verwendung sich wiederholender mehrfacher Blitze, oft bis zu zwanzig Mal, für die Testobjekte. Die endgültige Strom-Spannungs-Abhängigkeit wird durch Aneinanderreihung der verschiedenen Teilabschnitte rekonstruiert. Das Verfahren kann in Simulatoren mit entweder kurzen Lichtimpulsen (ca. 10 ms), oder – bei hoher Wiederholrate – sehr kurzen Lichtimpulsen (ca. 2 ms) realisiert werden. Dennoch sind die vorstehenden Verfahren zeitaufwendig und können eine frühzeitige Alterung der recht teuren Xenonlampen bewirken. Letztere sind anfällig für Probleme hinsichtlich der Lichtgleichförmigkeit und spektraler Fehlanpassung. Daher unterliegen die beschriebenen Verfahren für eine Bewertung von Modulen im industriellen Maßstab starken Einschränkungen.
Das zu lösende Problem besteht darin, eine Lösung zum exakten Messen der Leistungsfähigkeit, insbesondere der Strom-Spannungs-Kennlinien, von Photovoltaikelementen bereitzustellen, insbesondere von hocheffizienten hochkapazitiven Photovoltaikelementen, und zwar in standardisierter Form, die es ermöglicht, annähernd äquivalente Ergebnisse für die gleiche Probe zu erhalten.
Das Problem wird gelöst mit einem Bewertungsverfahren für Photovoltaikelemente entsprechend den Merkmalen von Anspruch 1, einer Messsystemkonfiguration entsprechend den Merkmalen von Anspruch 13 sowie einem Vorgang der Verwendung einer solchen Messsystemkonfiguration mit den Merkmalen von Anspruch 21. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind in den abhängigen Ansprüchen sowie in der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren angegeben.
Spezielle Merkmale, die als Teil einer bestimmten Ausführungsform dargestellt werden, können auch einzeln und in Kombination mit anderen Merkmalen einer beliebigen anderen dargestellten Ausführungsform wirksam sein. Insbesondere können sich weitere Lösungen durch Austausch eines oder mehrerer Merkmale durch andere dargestellte Merkmale ergeben. Die beschriebenen Ausführungsformen stellen vielmehr Ausführungsbeispiele dar und schließen weitere Ausführungsformen nicht aus.
Es wird ein Bewertungsverfahren für Photovoltaikelemente vorgeschlagen, das eine zeitlich gesteuerte Messung der Strom-Spannungs-Kennlinie eines Photovoltaikelements umfasst. Das Photovoltaikelement wird in einer Messschaltung angeordnet, um zumindest einen elektrischen Strom und/oder eine elektrische Spannung der Strom-Spannungs-Kennlinie zu messen. Das Bewertungsverfahren für Photovoltaikelemente umfasst ferner:

– Belichten des Photovoltaikelements mit mindestens einem kurzen Lichtblitz mit einer diskreten Belichtungsdauer, wobei der kurze Lichtblitz von einem pulsbaren lichtemittierenden Element erzeugt wird, und
– Durchführen einer Reihe von Messschritten während der Belichtungsdauer.

Dabei umfasst jeder der Messschritte:

– schrittweises Ändern mindestens eines der Parameter elektrische Stromstärke, elektrische Spannung und Impedanzlast,
– Abtasten mindestens eines Wertes, der mit mindestens einem der anderen der Parameter elektrische Stromstärke, elektrische Spannung und Impedanzlast in Beziehung steht.

Das vorstehend genannte Photovoltaikelement ist ein Element, das zumindest teilweise auf Grundlage des photovoltaischen Effekts arbeiten kann. Insbesondere kann ein Photovoltaikelement als Solarzelle oder als eine Anordnung einer oder mehrerer oder vieler Solarzellen ausgebildet sein. Bei letzterer Ausführungsform wird das Photovoltaikelement oft als Solarmodul bezeichnet. Mit dem Begriff Photovoltaikelement sollen jedoch auch andere Ausführungsformen umfasst werden, bei denen ein Photovoltaikelement mit anderen Elementen kombiniert ist.
Die vorstehend erwähnte zeitlich gesteuerte Messung stellt eine Messung dar, während der ein oder mehrere oder viele Messwerte in Abhängigkeit von zumindest einem Zeitpunkt abgetastet werden. Hierbei wird unter dem Abtasten eines Messwertes ein Vorgang verstanden, der zumindest das Messen eines Wertes umfasst. Darüber hinaus kann das Abtasten eine Weiterleitung des Wertes an einen Ausgang umfassen. Beispielsweise kann das Abtasten die Anzeige des Messwertes auf einem Monitor und/oder das Speichern desselben in einem Speicher, beispielsweise in einer Datenbank, umfassen. Hierbei kann das Abtasten mindestens eines Messwertes die Durchführung einer kontinuierlichen Messung oder von diskontinuierlichen Messungen umfassen. Im Falle von diskontinuierlichen Messungen kann dies auch das Abtasten eines Messwertes bedeuten, das als eine Punktmessung von nur einem Wertepaar erfolgt.
Die vorstehend erwähnte Strom-Spannungs-Kennlinie stellt eine Beziehung zwischen einer elektrischen Stromstärke und einer elektrischen Spannung dar. Die Abhängigkeit eines der Parameter elektrische Stromstärke oder elektrische Spannung von dem anderen der Parameter elektrische Stromstärke und elektrische Spannung wird allgemein als Strom-Spannungs-Kennlinie bezeichnet.
Die vorstehend erwähnte Messschaltung ist eine elektrische Schaltung, die zumindest zur Messung elektrischer Kenngrößen eines Elements, zum Beispiel einer Strom-Spannungs-Kennlinie, geeignet ist. Der Begriff elektrische Schaltung umfasst eine beliebige Anordnung von Messeinheiten und Verbindungen, die eine Herstellung eines elektrischen Strompfades ermöglichen. Vorzugsweise sollte eine elektrische Erdung integriert sein.
Diskrete Belichtungsdauer bedeutet, dass eine Belichtungsdauer definiert werden kann, während der der Lichtblitz deutlich heller als vor und nach der Belichtungsdauer ist. Für die Definition des Beginns und des Endes der Belichtungsdauer gibt es vielfältige Möglichkeiten. Beispielsweise können der Beginn oder das Ende der Belichtungsdauer definiert werden als Zeitpunkt, zu dem ein definierter Schwellwert der Helligkeit überschritten ist. Zum Beispiel könnte vorgesehen sein, den Beginn oder das Ende der Belichtungsdauer unter Verwendung einer Referenz-Helligkeitsmesseinheit zu messen. Ferner kann die Belichtungsdauer auch eine Definition eines einfachen An/Aus-Zustands in Bezug auf die Belichtung umfassen.
Die Abtastung kann für eine Messdauer als Abtastung von Werten in kontinuierlicher oder quasi-kontinuierlicher Abhängigkeit von der Zeit erfolgen. Es kann auch möglich sein, die Abtastung als Punktmessung auszuführen. Außerdem kann es auch möglich sein, die Abtastung in Kombination von kontinuierlicher und/oder quasi-kontinuierlicher und/oder Punktmessung auszuführen. Anstelle der bevorzugten Beendigung einer Abtastung vor einer jeweils nachfolgenden schrittweisen Änderung kann es auch möglich sein, die Abtastung eine Zeit lang fortzusetzen und kurz nach einer jeweils nachfolgenden schrittweisen Änderung zu beenden.
Das vorstehend erwähnte pulsbare lichtemittierende Element stellt ein lichtemittierendes Element dar, das zur Erzeugung von mindestens zwei Lichtblitzen genutzt werden kann, wobei jeder der Lichtblitze eine diskrete Belichtungsdauer aufweist. Der Begriff pulsbares emittierendes Element wird hier in dem Sinne genutzt, dass dieses in der Lage ist, abwechselnd einen Lichtblitz mit einer Intensität zu emittieren, die höher ist als die des unmittelbar vorhergehenden oder nachfolgenden Lichtblitzes. Vorzugsweise kann eine große Anzahl von Blitzen mit einem potentiell breiten Bereich diskreter Belichtungsdauern erzeugt werden. Zum Beispiel kann ein pulsbares lichtemittierendes Element als eine Einheit mit integrierten elektronischen Blitzröhren ausgebildet sein. Solche Blitzröhren können beispielsweise basierend auf der Anregung von Gasentladungen arbeiten. Zum Beispiel ist dieses Gas typischerweise ein Edelgas, in vielen Fällen Argon, Xenon oder Krypton. Insbesondere kann das lichtemittierende Element als ein Solarsimulator ausgebildet sein. Der Solarsimulator kann in Form eines Blitzsimulators ausgebildet sein. Bei einer anderen Ausführungsform kann der Solarsimulator in Form eines pulsierenden Simulators ausgebildet sein. Als typisches lichtemittierendes Element kommt die Verwendung von Edelgaslampen wie beispielsweise Xenonlampen in Frage.
Eine Strahlung und/oder ein Spektrum des Lichtblitzes kann idealerweise während der Belichtungsdauer konstant sein. Bei einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, die Strahlung und/oder das Spektrum so zu regeln, dass eine Änderung der Strahlung und/oder des Spektrums während der Messzeit minimiert wird. Bei einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, die Strahlung und/oder das Spektrum so zu regeln, dass eine Änderung der Strahlung und/oder des Spektrums während der Dauer eines Messschritts minimiert wird. Bei einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, die Strahlung und/oder das Spektrum so zu regeln, dass eine Änderung der Strahlung und/oder des Spektrums während der Belichtungsdauer minimiert wird.
Es ist vorgesehen, während der Belichtungsdauer eine Reihe von Messschritten durchzuführen. Insbesondere bedeutet das, dass während zumindest einer Belichtungsdauer eine Anzahl von zumindest zwei Messschritten erfolgt. Es kann auch vorgesehen sein, mehr als zwei oder sämtliche Messschritte während einer Belichtungsdauer auszuführen, d. h. während einer Zeitdauer der Belichtungsdauer oder in weniger als der Zeitdauer der Belichtungsdauer.
Es ist vorgesehen, dass die Abtastung von zumindest einem Wert erfolgt, der mit zumindest einem der anderen schrittweise geänderten Parameter elektrische Stromstärke, elektrische Spannung oder Impedanzlast in Beziehung steht. Dies kann das Messen von zumindest einem Wert in Abhängigkeit von einem der Parameter elektrische Stromstärke, elektrische Spannung oder Impedanzlast umfassen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Messung kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich oder in diskreten Intervallen erfolgt. Auch kann vorgesehen sein, dass eventuelle diskrete Intervalle in gleichen Zeitabständen oder in unterschiedlichen Abständen aufgespreizt sind. Ferner kann die Abtastung so erfolgen, dass nur eine Messung an einem Punkt eines Ereignisses ausgeführt wird. Die Messung an einem Punkt eines Ereignisses kann die Messung auf einer Zeitskala in der Größenordnung der zeitlichen Auflösung einer tatsächlich genutzten Messeinrichtung umfassen.
Der Ausdruck ein Wert der mit zumindest entweder der elektrischen Stromstärke oder der elektrischen Spannung in Beziehung steht bezieht sich auf die Tatsache, dass es nicht notwendigerweise zwingend ist, eine direkte Messung der elektrischen Stromstärke und/oder der elektrischen Spannung auszuführen. Vielmehr kann eine indirekte Messung erfolgen. Es ist möglich, einen Parameter zu messen, von dem der Wert abgeleitet werden kann.
Die Änderung zumindest entweder der elektrischen Stromstärke oder der elektrischen Spannung kann erfolgen durch aktive Änderung von zumindest entweder der elektrischen Stromstärke oder der elektrischen Spannung. Zum Beispiel kann zumindest entweder die elektrische Stromstärke oder die elektrische Spannung aktiv mit Hilfe jeweiliger Regeleinrichtung gesteuert werden, z. B. mit geschlossenem Regelkreis oder offenem Regelkreis.
Was die schrittweise Änderung betrifft, so wird darunter eine verhältnismäßig abrupte Änderung eines Wertes verstanden, d. h. in einem idealisierten Fall so, dass die Änderung als eine Stufenfunktion in Abhängigkeit von der Zeit dargestellt werden könnte. Unter schrittweiser Änderung soll aber auch verstanden werden, dass die Änderung des entsprechenden Wertes auf einer sehr kurzen Zeitskala erfolgt. Folglich soll eine Änderung von zumindest der elektrischen Stromstärke oder des elektrischen Wertes in solcher Weise, dass eine Kurve, die die Änderung darstellt, geringfügig von einer Schrittfunktion abweicht, ebenfalls möglich und von der Erfindung umfasst sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann vorgesehen sein, dass zumindest entweder die elektrische Stromstärke oder die elektrische Spannung indirekt gesteuert werden, mit geschlossenem oder offenem Regelkreis, und zwar durch Steuern einer Impedanzlast zumindest eines Teils der Messschaltung. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass die Impedanz eine Impedanz über zumindest das Photovoltaikelement darstellt.
Es kann vorgesehen sein, dass unter dem Abtasten ein Vorgang des Speicherns eines bestimmten Wertes für zumindest einen der anderen Parameter elektrische Stromstärke, elektrische Spannung oder Impedanzlast verstanden wird. Unter Abtasten soll verstanden werden, dass gemessene und/oder abgetastete Werte der elektrischen Stromstärke, elektrischen Spannung und/oder der Impedanzlast zumindest einem der Parameter elektrischen Stromstärke, elektrische Spannung oder Impedanzlast nach einer Änderung zugeordnet werden. Eine kontinuierliche und/oder diskontinuierliche Messung eines oder mehrerer Werte kann ebenfalls umfasst sein. Es kann auch möglich sein, eine oder mehrere der Messungen als Punktmessung aufzuführen, das heißt dass nur ein Wertepaar gemessen und/oder abgetastet wird.
Es ist auch möglich, dass das Abtasten als Abtasten zumindest eines Wertes, der mit zumindest einem der anderen der schrittweise geänderten Parameter elektrische Stromstärke, elektrische Spannung oder Impedanzlast in Beziehung steht, in solcher Weise erfolgt, dass ein Wert, der mit einem der anderen der schrittweise geänderten Parameter elektrische Stromstärke, elektrische Spannung oder elektrische Impedanz in Beziehung steht, beispielsweise eine Ableitung oder andere Werte, die indirekt mit der Messgröße in Beziehung stehen, umfassen kann.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass eine Reaktionszeit zur Erhöhung oder Verminderung des Wertes während eines Messschritts genauso lang wie oder länger als eine bestimmbare Zeitdauer für den Messschritt ist.
Als Reaktionszeit wird eine Zeitdauer bezeichnet, während und/oder nach der die Abtastung von mindestens einem Wert, der mit mindestens einem der anderen Parameter elektrische Stromstärke, elektrische Spannung oder Impedanzlast in Beziehung steht, durchgeführt wird. Damit soll jedoch nicht ausgeschlossen werden, dass vor der Reaktionszeit irgendwelche anderen Werte gemessen und/oder abgetastet werden. Der Begriff Reaktionszeit bezieht sich auf den Umstand, dass nach einer schrittweisen Änderung zumindest entweder der elektrischen Stromstärke oder der elektrischen Spannung andere Werte, die mögliche Messgrößen darstellen, möglicherweise einige Zeit benötigen um zu reagieren und sich auf einen neuen statischen oder zumindest neu definierten Zustand zu verschieben.
Die bestimmbare Zeitdauer ist eine Zeitdauer, die aus bestimmten gegebenen Zuständen bestimmbar ist. Damit sollen sämtliche Verfahren zur Bestimmung einer bestimmbaren Zeit, die nicht hauptsächlich durch eine beliebige willkürliche Bestimmung festgelegt werden, umfasst sein.
Es kann jedoch in einigen Fällen auch möglich sein, dass zufällige Elemente zur Bestimmung einer bestimmbaren Zeitdauer umfasst sind, solange diese mit einer Bestimmung kombiniert werden, die anhand bestimmter gegebener Zustände erfolgt. Beispielsweise kann es gemäß einer Ausführungsform möglich sein, dass eine im Vorhinein bestimmbare Zeitdauer modifiziert wird, z. B. durch Subtraktion, Multiplikation und/oder durch Addition von Zeitkonstanten sowie von Faktoren, die von anderen Messgrößen abhängen.
Die bestimmbare Zeitdauer kann mit geschlossenem oder offenem Regelkreis gesteuert werden. Bei einer bevorzugten Ausführungsform erfolgt das Abtasten nach einer minimalen Zeitdauer. Diese minimale Zeitdauer ist vorzugsweise die bestimmbare Zeitdauer. Die minimale Zeitdauer kann verkörpert sein als eine Zeitdauer, nach der erwartet wird, dass zumindest eine bestimmte Bedingung zumindest erfüllt ist. Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann die minimale Zeitdauer verkörpert sein als eine Zeitdauer, nach der zumindest gezeigt wird, dass eine bestimmte Bedingung zumindest erfüllt ist.
Wenn eine kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Abtastung von Werten in Abhängigkeit von der Zeit erfolgt, kann das Verfahren als statisches Photovoltaikelement-Bewertungsverfahren bezeichnet werden. Wenn eine Punktmessung oder Punktmessungen ausgeführt wird/werden und eine Reaktionszeit genauso lang wie oder länger als eine bestimmbare Zeitdauer ist, kann das Verfahren als dynamisches Photovoltaikelement-Bewertungsverfahren bezeichnet werden.
Gemäß einer Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Abtastung nach Ablauf der Reaktionszeit erfolgt. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist vorgesehen, dass die Abtastung von nur einem einzigen Wert nach Ablauf der Reaktionszeit erfolgt.
Ferner ist gemäß einer weiteren Ausführungsform die Reaktionszeit zumindest nahe, vorzugsweise identisch der bestimmbaren Zeitdauer.
Wenn die Reaktionszeit nahe der bestimmbaren Zeitdauer ist, besteht ein Vorteil darin, dass die für einen Messschritt notwendige Zeitdauer reduziert wird. Durch weitere Annäherung der Reaktionszeit an die bestimmbare Zeitdauer ist es somit möglich, die für einen Messschritt benötigte Zeitdauer weiter zu reduzieren. Wenn die Annährung der Reaktionszeit an die bestimmbare Zeitdauer für einige oder viele oder besonders bevorzugt für alle Messschritte der zeitlich gesteuerten Messung erfolgt, kann eine Gesamtdauer einer der zeitlich gesteuerten Messungen weiter minimiert werden.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist es denkbar, dass während jedes Messschritts nur eine einzige der Abtastungen zu einem Zeitpunkt erfolgt, wenn die bestimmbare Zeitdauer gerade abgelaufen ist.
Gemäß einer weiteren Verbesserung, umfasst das Verfahren zusätzlich:

– Abtasten sowohl der elektrischen Stromstärke als auch der elektrischen Spannung zumindest gegen Ende der bestimmbaren Zeitdauer,
– Beginnen eines nächsten Messschrittes zumindest kurz nach dem Abtasten von sowohl der elektrischen Stromstärke als auch der elektrischen Spannung, sofern nicht ein vorgesehener Maximalwert von zumindest entweder der elektrischen Stromstärke oder der elektrischen Spannung erreicht wird.

Ein Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass mit dem Abtasten von sowohl der elektrischen Stromstärke als auch der elektrischen Spannung Wertepaare von leicht messbaren Messgrößen abgetastet werden. Durch Abtastung der Wertepaare gegen Ende der bestimmbaren Zeitdauer können ausreichend Werte für eine weitere Bewertung des Verhaltens des Solarelements bzw. Solarmoduls erhalten werden.
Bevorzugt umfasst das Verfahren das Abtasten von sowohl in der elektrische Stromstärke als auch der elektrische Spannung zumindest gegen Ende der bestimmbaren Zeitdauer, was zum Beispiel dazu führt, dass für das Abtasten von Werten nur eine Zeitdauer nahe einer minimalen Zeitdauer erforderlich ist. Dadurch kann die letztendlich erforderliche Zeitdauer basierend auf der Bestimmungsmessung für eine Zeitdauer für jeden Schritt annähernd auf den minimal möglichen Wert minimiert werden.
Eine weitere Ausführungsform des Verfahrens umfasst, dass eine letztendlich zur Ausführung der zeitlich gesteuerten Messungen erforderliche Zeitdauer reduziert wird und vorzugsweise minimiert wird durch Beginn eines jeweiligen nächsten Messschrittes zumindest kurz nach der Abtastung von sowohl elektrischer Stromstärke als auch elektrischer Spannung, vorzugsweise direkt mit dem Abtasten. Unter dem Ausdruck des Beginns eines nächsten Messschrittes zumindest kurz nach dem Abtasten soll verstanden werden, dass der Beginn eines jeweils nächsten Messschritts unmittelbar nach dem Abtasten des ersten erfolgt.
Es kann außerdem möglich sein, die bestimmbare Zeitdauer in Abhängigkeit von einem speziellen Zustand eines statischen Wertes des zumindest einen Wertes, vorzugsweise der elektrischen Stromstärke und/oder der elektrischen Spannung, anzupassen. Zum Beispiel ist ein Messpunkt erreicht, wenn zumindest bis zu einem gewissen Grade ein statischer Wert erreicht ist.
Ein Vorteil dieser Ausführungsform des Verfahrens besteht darin, dass z. B. vor der Durchführung einer Messung und/oder eines Messschrittes ein Grad vorbestimmt werden kann, zu dem ein statischer Wert einer Messgröße erreicht ist. Zum Beispiel kann vorgesehen sein, dass die elektrische Stromstärke schrittweise geändert wird und dass die bestimmbare Zeitdauer in Abhängigkeit von einem Zustand eines statischen Wertes der elektrischen Spannung angepasst wird, die zumindest in einem gewissen Grade von beispielsweise 80% ihres letztendlichen statischen Wertes erreicht sein soll. Gemäß einem weiteren Beispiel kann vorgesehen sein, dass die elektrische Spannung schrittweise geändert wird und dass die bestimmbare Zeitdauer angepasst wird in Abhängigkeit von einem Zustand eines statischen Wertes der elektrischen Stromstärke, die zumindest in einem gewissen Grade von beispielsweise 80% ihres letztendlichen statischen Wertes erreicht sein soll.
Vorzugsweise wird die bestimmbare Zeitdauer in Abhängigkeit von einem Sättigungsverhalten des Photovoltaikelements bestimmt. Hierbei wird vorgeschlagen, das Photovoltaikelement als Modell eines kapazitiven Elements zu betrachten.
Ein Vorteil der Bestimmung der bestimmbaren Zeitdauer unter Betrachtung des Photovoltaikelements als kapazitives Element ist die Kenntnis des Sättigungsverhaltens von kapazitiven Elementen, z. B. kann ein Kondensator oder können Kombinationen von Kondensatoren genutzt werden, um das Sättigungsverhalten des Photovoltaikelements zu bestimmen.
Es ist auch möglich, die bestimmbare Zeitdauer unter Verwendung eines Kapazitätslademodells zu bestimmen, bei dem eine zeitabhängige Änderung von zumindest entweder der elektrischen Stromstärke oder der elektrischen Spannung durch Fitting des Kapazitätslademodells extrapoliert wird.
Für eine Entwicklung eines geeigneten Kapazitätslademodells kann eine oder können mehrere der vorstehend oder nachfolgend erklärten Betrachtungen herangezogen werden und/oder miteinander und/oder mit zusätzlicher Modellierung kombiniert werden.
Entsprechend einer Ausführungsform ist die Ableitung der elektrischen Stromstärke und/oder die Ableitung der elektrischen Spannung über eine bestimmte Messzeitdauer hinreichend klein und liegt innerhalb des Bereichs einer Wiederholbarkeit des Messaufbaus.
Ferner umfasst eine Ausführungsform des Verfahrens außerdem das Bestimmen der bestimmbaren Zeitdauer, vorzugsweise der minimalen Zeitdauer, mit Hilfe einer jeweiligen relativen Kapazitätsänderung. Die jeweilige relative Kapazitätsänderung wird zum Beispiel zumindest sowohl bei einem momentanen Messschritt als auch einem vorangegangen Messschritt bewertet. Bei einer bestimmten Ausführungsform kann die relative Kapazitätsänderung einem statischen Strom-Spannungs-Zustand entsprechen. Bei einer weiteren Ausführungsform kann die relative Kapazitätsänderung zumindest sowohl bei einem jeweiligen momentanen Messschritt als auch einem jeweiligen vorangehenden Messschritt bewertet werden.
Die Kapazität kann mit solchen Verfahren wie beispielsweise der Verwendung einer RC-Zeitkonstante, einer Phase eines periodischen Signals, einer Frequenzmodulation und/oder einer Amplitudenmodulation gemessen werden. Für die Messung kann zum Beispiel ein Kapazitätsmesser verwendet werden. Ferner kann vorgesehen sein, ein Kapazitätslademodell zu nutzen. Dieses Modell kann das Fitting des Kapazitätslademodells an gemessene Werte von elektrischer Stromstärke und/oder elektrischer Spannung umfassen. Dieses Verfahren basiert auf der Tatsache, dass die Aufladung und Endladung eines Kondensators in quasi exponentieller Beziehung zu dem reziproken Wert der Zeitkonstante bzw. dem Negativen des reziproken Wertes der Zeitkonstante steht. Wenn zusätzlich berücksichtigt wird, dass die gegebene Messschaltung keinen idealen Kondensator darstellt und/oder umfasst, können modifizierte Formeln zur Entwicklung des Kapazitätsfittingmodells genutzt werden. Es ist beispielsweise möglich, die Zeitkonstante mit einem Faktor zu multiplizieren, der konstant sein kann oder von anderen Werten wie beispielsweise einer elektrischen Stromstärke, einer elektrischen Spannung, einer Zeit und/oder einer Kapazitätsänderung abhängen kann. Ferner sei betont, dass das gegebene Kapazitätsmodell bereits zur Ausgabe sinnvoller Vorausschätzungen der Messwerte genutzt werden kann, die zum Teil um mehr als 10% von den gemessenen Werten abweichen können.
Außerdem kann vorgesehen sein, dass die Bestimmung der bestimmbaren Zeitdauer, vorzugsweise der minimalen Zeitdauer, unter Verwendung von
oder einer Modifikation dieser Formel erfolgt.
In dieser Gleichung ist t(I_i,mess, V_i,mess) ein Wert, der als minimale Zeitdauer genutzt wird, die vorzugsweise nach der Änderung von zumindest entweder der elektrischen Stromstärke oder der elektrischen Spannung ablaufen soll. In dieser Gleichung ist (I_i,mess, V_i,mess) ein Messwertpaar für Stromstärke-Spannung für einen i-ten Datenpunkt einer Strom-Spannungs-Kennlinie, die aus N Punkten besteht. C(I_i,SS, V_i,SS) ist die relative Kapazität, die den statischen Strom-Spannungs-Zuständen (I_i,SS, V_i,SS) entspricht. C(I_i-1,SS, V_i,SS) ist die relative Kapazität, die den statischen Strom-Spannungs-Zuständen des vorhergehenden (i – 1)-ten Datenpunktes entspricht. Für den speziellen Fall von i = 1 entspricht die relative Kapazität C(I_i-1,SS, V_i,SS) einem Vorspannungszustand des Photovoltaikelements. Die Konstante c bezieht sich auf eine Verzögerung, die durch die Lastregelung und z. B. einen empirischen Faktor eingetragen wird. Die Anzahl der gemessenen Punkte N innerhalb des Zeitrahmens T wird geeignet so gewählt, dass ein beliebiges Paar (I_i,mess, V_i,mess) aus gemessener Stromstärke und Spannung der Strom-Spannungs-Kurve mit seinen statischen Werten (I_i,SS, V_i,SS) reproduzierbar wäre und keine wesentlichen Anzeichen von transienten Fehlern zeigt.
In Abhängigkeit von dem verwendeten Messaufbau kann vorgesehen sein, modifizierte Versionen der vorstehenden Gleichung zu verwenden, z. B.
wobei α, β, γ, δ, ε, χ z. B. empirische Faktoren sind. Die Faktoren können konstant sein oder können von der elektrischen Stromstärke, der elektrischen Spannung, der Kapazität und/oder der Zeit abhängig sein. Darüber hinaus kann auch eine exponentielle oder eine logarithmische Beziehung mit den jeweils rechten Seiten einer der vorstehenden Formeln in Betracht kommen.
Ferner kann es möglich sein, die rechte Seite einer der vorstehenden Formeln durch einen weiteren Summanden zu ändern, wobei der Summand eine Konstante ist.
Die Regelung der bestimmbaren Zeitdauer mit geschlossenem Regelkreis umfasst vorzugsweise zumindest:

– Bestimmung einer zeitlichen Ableitung der elektrischen Stromstärke und/oder der elektrischen Spannung und
– Überprüfung der zeitlichen Ableitung auf Übereinstimmung mit einem Sollwert.

Dies kann auch zusätzlich in solch einem Verfahren wie vorgeschlagen umfasst sein. Als Beispiel für die Bestimmung der zeitlichen Ableitung kann die zeitliche Ableitung zum Beispiel bestimmt werden durch einen linearen Bestimmungsansatz, bei dem ein Zustand festgelegt wird, bei dem die Ableitung der elektrischen Stromstärke und/oder der elektrischen Spannung einen bestimmten Wert nicht übersteigt. Vorzugsweise liegt dieser Wert für die Ableitung in einem Bereich von 0,01% bis 1%, bezogen auf eine bestimmbare Zeitdauer. Die bestimmbare Zeitdauer kann vorbestimmt werden, beispielsweise auf 5 μs. Ferner kann die bestimmbare Zeitdauer in Abhängigkeit von dem Messaufbau automatisch oder manuell angepasst werden.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Regelung der bestimmbaren Zeitdauer mit geschlossenem Regelkreis zusätzlich das Anpassen der bestimmbaren Zeitdauer derart umfasst, dass eine bestimmte Beziehung zu einem Zeitpunkt gegeben ist, zu dem eine Übereinstimmung der zeitlichen Ableitung mit einem Sollwert auftritt. Beispielsweise kann die bestimmbare Zeitdauer bestimmt werden als die exakte Zeit, zu der die Übereinstimmung der zeitlichen Ableitung mit einem Sollwert auftritt.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass zusätzlich vorzugsweise iterativ und ex-situ und/oder in-situ der Betrag der Änderung für zumindest entweder die elektrische Stromstärke, die elektrische Spannung oder die Impedanzlast angepasst wird unter Verwendung

– einer geschätzten Abhängigkeit einer Zeitdauer, vorzugsweise der bestimmbaren Zeitdauer, von der elektrischen Stromstärke, der elektrischen Spannung und/oder der Impedanzlast, vorzugsweise zusammen mit
– zusätzlicher Verwendung einer Bedingung, dass transiente Fehler vernachlässigbar bleiben.

Im vorliegenden Zusammenhang bezieht sich der Begriff transiente Fehler auf Messartefakte, die in die Strom-Spannungs-Messung wegen bestimmter Eigenschaften einer gegebenen Einrichtung eingetragen werden. Bevorzugt beziehen sich transiente Fehler auf das kapazitive Verhalten der Einrichtung. Solche Fehler sind abhängig von dem Testobjekt, hier dem Photovoltaikelement, aber auch von dem Messsystem, z. B. dem Solarsimulator. Die Größe des Fehlers kann in vielen Fällen von +30% bis –30% des tatsächlichen Wertes schwanken. Entsprechend IEC 60904-1 muss folgendes berücksichtigt werden: ”Das Zeitintervall zwischen Datenpunkten soll hinreichend lang sein, um sicherzustellen, dass durch die Ansprechzeit des Testobjekts und die Rate der Datenerfassung keine transienten Fehler eingetragen werden.” Der Begriff ”hinreichend lang” meint die erforderliche Zeit. Der Standard ist vage. Es ist kein spezifischer Wert angegeben. Jedoch wird vorgeschlagen, eine Vernachlässigung von transienten Fehlern im Bereich von höchstens ±0,5% in Abhängigkeit von der Wiederholgrenze der Messung zu erlauben.
Weiterhin kann das Verfahren das Ausführen der Änderung von zumindest entweder der elektrischen Stromstärke, der elektrischen Spannung oder der Impedanzlast in gleichmäßigen Schritten während zumindest eines Teils der Messung umfassen.
Ferner wird vorgeschlagen, dass das Verfahren ferner die Durchführung der Reihe von Messschritten vollständig oder teilweise innerhalb einer einzigen Belichtungsdauer umfasst. Ein Vorteil des Durchführens der Reihe von Messschritten innerhalb einer einzigen Belichtungsdauer besteht darin, dass sichergestellt werden kann, dass das Bestrahlungsniveau während einer bestimmten Messung konstant bleibt.
Sowohl die Anzahl der Schritte als auch der Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messschritten können ex-situ oder in-situ bestimmt werden. Bei einer In-situ-Bestimmung kann die Anzahl der Schritte optimiert werden, indem zusätzliche Schritte integriert werden oder die Anzahl der Schritte reduziert wird, z. B. von einem vorgegebenen berechneten Netz von Parametern von Messschritten, wobei für eine Bestimmung einer vordefinierten berechneten Masche beispielsweise Gleichung (1) oder einer Modifikation dieser Gleichung wie beispielsweise eine der vorstehend genannten Modifikationen oder anderen Modifikationen genutzt werden können, mit weiterhin der verfügbaren Messzeit als gegebener Parameter.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf eine Messsystemkonfiguration zur Durchführung von zeitlich gesteuerten Messungen von Strom-Spannungs-Kennlinien von austauschbaren Photovoltaikelementen. Die Messsystemkonfiguration umfasst zumindest:

– ein Verbindungssystem zum Anschließen eines Photovoltaikelements an eine Messschaltung der Messsystemkonfiguration,
– ein pulsbares lichtemittierendes Element,
– ein Voltmeter und ein Amperemeter, die zueinander und zu dem Verbindungssystem parallel geschaltet sind,
– mindestens eine der folgenden Komponenten – eine elektrische Stromversorgungseinheit zur Steuerung einer elektrischen Stromstärke, die mit dem Amperemeter verbunden ist, – eine elektrische Spannungsversorgungseinheit zur Steuerung einer elektrischen Spannung, die mit dem Voltmeter verbunden ist, und – eine steuerbare Impedanzlasteinheit zur Steuerung einer Impedanzlast, die mit mindestens entweder dem Amperemeter oder dem Voltmeter verbunden ist,
– eine Steuerungseinheit zum Steuern zumindest entweder der elektrischen Stromversorgungseinheit, der elektrischen Spannungsversorgungseinheit und/oder der steuerbaren Impedanzlasteinheit. Hierbei ist die Steuerungseinheit während der Messungen in der Lage, eine schrittweise Änderung mindestens eines der Parameter elektrische Stromstärke, elektrische Spannung oder Impedanzlast zumindest auszulösen.

Gemäß einer Ausführungsform ist die elektrische Stromversorgungseinheit in Reihe mit dem Amperemeter geschaltet. Die elektrische Spannungsversorgungseinheit ist parallel zu dem Voltmeter geschaltet. Die steuerbare Impedanzlasteinheit kann in Reihe mit dem Amperemeter und/oder parallel zu dem Voltmeter geschaltet sein.
Ferner umfasst die Messeinheit zumindest eine Regelungseinheit. Zum Beispiel kann es möglich sein, dass eine erste Regelungseinheit zur Regelung der elektrischen Stromstärke in Reihe mit sowohl der Steuerungseinheit als auch der elektrischen Stromversorgungseinheit geschaltet ist. Bei einer Ausführungsform wird bevorzugt, dass ein Ausgang der ersten Regelungseinheit mit einem Eingang der elektrischen Stromversorgungseinheit verbunden ist. Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein Ausgang der elektrischen Stromversorgungseinheit mit einem Eingang der Regelungseinheit verbunden. Dadurch kann die elektrische Stromversorgungseinheit zu einer geregelten elektrischen Stromversorgungseinheit werden.
Ferner ist es möglich, dass das Voltmeter und das Amperemeter in dem gleichen Gehäuse umfasst sind und als Strom-Spannungs-Messeinrichtung ausgebildet sind.
Die Fähigkeit der Steuerungseinheit, in der Lage zu ein, eine schrittweise Änderung zumindest entweder der elektrischen Stromstärke, der elektrischen Spannung oder der Impedanzlast zumindest auszulösen, bezieht sich auf eine spezielle Anordnung, die bewirkt, dass die Steuerungseinheit diese Fähigkeit aufweist. Beispielsweise kann eine integrierte Schaltung mit der Steuerungseinheit verbunden sein, mit Programmiereinrichtungen, die derart ausgelegt sind, dass diese Fähigkeit resultiert. Weitere Ausführungsformen sind ebenfalls möglich, solange ein Speicherelement zum Speichern des Programms und eine verarbeitende Einheit zur Verarbeitung des Programms in Zusammenwirkung mit der Steuerungseinheit vorgesehen sind.
Bei einem weiteren Beispiel ist eine zweite Regelungseinheit zur Regelung der elektrischen Spannung in Reihe mit sowohl der Steuerungseinheit als auch der elektrischen Spannungsversorgungseinheit geschaltet. Bei einer weiteren Ausführungsform ist ein Ausgang der zweiten Regelungseinheit mit einem Eingang der elektrischen Spannungsversorgungseinheit verbunden. Zusätzlich kann ein Ausgang der elektrischen Spannungsversorgungseinheit mit einem Eingang der Regelungseinheit verbunden sein. Dadurch ist es möglich, dass aus der elektrischen Spannungsversorgungseinheit eine gesteuerte Spannungsversorgungseinheit wird.
Weiterhin wird bevorzugt, dass die Steuerungseinheit eine Auslöseeinrichtung für die Änderung von zumindest entweder der elektrischen Stromstärke, der elektrischen Spannung oder der Impedanzlast umfasst, wenn ein statischer Wert der elektrischen Stromstärke und/oder der elektrischen Spannung zumindest in gewissem Grade erreicht ist.
Bevorzugt umfasst die Steuerungseinheit eine Auslöseeinrichtung zur Änderung von zumindest entweder der elektrischen Stromstärke, der elektrischen Spannung oder der Impedanzlast, wenn von der Steuerungseinheit zumindest eine Übereinstimmung einer zeitlichen Ableitung der elektrischen Stromstärke und/oder der elektrischen Spannung mit jeweiligen Sollwerten festgestellt wird. Dies kann auch eine Änderung der elektrischen Stromstärke, der elektrischen Spannung und der Impedanzlast beinhalten, wenn der Sollwert nicht exakt übereinstimmt, aber im zeitlichen Verlauf der elektrischen Stromstärke, der elektrischen Spannung und der Impedanz gekreuzt wird.
Ferner kann es möglich sein, dass die Steuerungseinheit eine Auslöseeinrichtung für die Änderung zumindest entweder der elektrischen Stromstärke, der elektrischen Spannung oder der Impedanzlast zu Zeitpunkten und/oder um Beträge der schrittweisen Änderung umfasst, die bestimmt werden unter Verwendung jeweiliger relativer statischer Kapazitätsänderungen zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Messschritten.
Zusätzlich ist es möglich, dass die Steuerungseinheit entweder in einer aktiven Konfiguration arbeitet, bei welcher die elektrische Spannung geregelt wird, oder in einer passiven Konfiguration, bei der die Impedanz über dem gemessenen Photovoltaikelement gesteuert wird.
Es wird ferner vorgeschlagen, dass die Steuerungseinheit mit einer Verarbeitungseinheit verbunden ist, wobei die Verarbeitungseinheit die Zeitpunkte und/oder Beträge der schrittweisen Änderung durch In-situ-Verwendung von Werten, die von dem Voltmeter und/oder dem Amperemeter gemessen werden, berechnet.
Weiterhin wird vorgeschlagen, dass die Steuerungseinheit mit einer Speichereinheit verbunden ist, die mit vorbestimmten Werten für die Zeitpunkte und/oder Beträge der schrittweisen Änderung gefüllt ist.
Darüber hinaus umfasst die Messsystemkonfiguration vorzugsweise eine unabhängige Messschaltung zur Durchführung von Referenzmessungen. Hierbei ist vorgesehen, dass die unabhängige Messschaltung zumindest umfasst:

– ein Photovoltaik-Referenzelement, das in einer vergleichbaren Anordnung mit dem pulsbaren lichtemittierenden Element wie das Photovoltaikelement angeordnet ist, und
– ein weiteres Amperemeter und/oder ein weiteres Voltmeter.

Bei den vorstehenden Beispielen kann es möglich sein, dass die Steuerungseinheit, die mit einer Verarbeitungseinheit verbunden werden soll, als eine Steuerungseinheit ausgebildet ist, welche die Verarbeitungseinheit umfasst, d. h. diese können in einer Anordnung verkörpert sein.
Die unabhängige Messschaltung wird vorzugsweise dazu genutzt, das Bestrahlungsniveau so zu steuern, dass es während eines oder mehrere Messschritte konstant gehalten wird. Darüber hinaus kann die unabhängige Messschaltung genutzt werden, um die Lichtintensität auf einen gewünschten Wert, d. h. die STC-Strahlung, zu kalibrieren. Diese STC-Strahlung beträgt beispielsweise 1.000 W/m², entsprechend STC.
STC sind die Standardtestbedingungen (engl.: Standard Test Conditions), auf Grundlage derer Solarmodule getestet werden; sie beinhalten eine Temperatur von 25°C für das Modul, ein Lichtspektrum wie in IEC 904-3 (1989) Teil III definiert, mit einer Luftmasse AM (engl.: Air Mass) von 1,5.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Messsystemkonfiguration mit dem Verbindungssystem, die zum Anschluss von standardisierten Photovoltaikelementen ausgelegt sind, für eine Photovoltaikelement-Bewertung mit hohem Durchsatz.
Ein Vorteil einer solchen Messsystemkonfiguration zusammen mit dem Verbindungssystem, das zur Verbindung mit standardisierten Photovoltaikelementen ausgelegt ist, besteht darin, dass die Erfindung mit standardmäßigen Photovoltaikelementen wie beispielsweise standardmäßigen Solarzellen genutzt werden kann.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung bezieht sich auf einen Vorgang der Verwendung einer Messsystemkonfigurationsanordnung, insbesondere wie vorstehend und nachfolgend beschrieben, zur Durchführung eines Photovoltaikelement-Bewertungsverfahrens, vorzugsweise wie hier vorgeschlagen, zum Zwecke einer Produktklassifizierung von Photovoltaikelementen.
Weitere Vorteile und Details der Erfindung sollen nun unter Bezugnahme auf die in den folgenden Zeichnungen dargestellten Ausführungsformen beschrieben werden. Dabei können ein oder mehrere Merkmale, die in einer jeweiligen Zeichnung dargestellt sind, mit einem oder mehreren Merkmalen einer anderen Zeichnung beziehungsweise der vorstehenden Beschreibung zu weiteren Ausführungsformen kombiniert werden. Die vorliegend dargestellten Ausführungsformen sind lediglich als Beispiele angegeben und nicht zur Einschränkung der Erfindung bestimmt.
In den Zeichnungen zeigt:
1 eine idealisierte Darstellung von Messschritten,
2 die normierte elektrische Stromstärke und die normierte elektrische Spannung eines Photovoltaikelements in Abhängigkeit von der Zeit,
3 die elektrische Spannung eines Photovoltaikelements in Abhängigkeit von der Zeit,
4 eine erste Messsystemkonfiguration mit einer elektrischen Stromversorgungseinheit und einer Regelungseinheit zur Regelung der elektrischen Stromversorgungseinheit,
5 eine zweite Messsystemkonfiguration mit einer elektrischen Spannungsversorgungseinheit und einer Regelungseinheit zur Regelung der elektrischen Spannungsversorgungseinheit,
6 eine weitere Messsystemkonfiguration mit einer Impedanzlast,
7 eine modellierte elektrische Stromstärke eines Photovoltaikelements in Abhängigkeit von der Zeit, und zwar bestimmt durch eine partiell relaxiert gemessene Reaktion der elektrischen Stromstärke,
8 eine modellierte elektrische Stromstärke eines Photovoltaikelements in Abhängigkeit von der Zeit, und zwar bestimmt durch eine partiell relaxiert gemessene Reaktion der Stromstärke gegenüber einer gemessenen elektrischen Stromstärke mit vollständig relaxierter Reaktion.
Es sei angemerkt, dass die Erfindung nicht auf die in den Figuren gezeigte Kombination von Merkmalen beschränkt ist. Vielmehr können die in der Beschreibung offenbarten Merkmale einschließlich der Beschreibung der Merkmale mit den in den Figuren spezifizierten Merkmalen kombiniert werden. Außerdem sei angemerkt, dass die in den Ansprüchen angeführten Bezugszeichen in keinster Weise den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung einschränken sollen sondern lediglich auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsformen hinweisen.
1 zeigt eine idealisierte Darstellung von Messschritten für beispielsweise eine Messung wie in 2 gezeigt. Zur Erklärung einer beispielhaften Darstellung von Ausführungsformen von Messanordnungen wird auf letztere verwiesen. In der gezeigten Darstellung wird eine elektrische Spannung schrittweise geändert, als ein Beispiel für die zuvor beschriebene schrittweise Änderung. Die elektrische Spannung in Funktion der Zeit ist durch die Funktion 1'' dargestellt. Eine erste schrittweise Änderung der Spannung erfolgt zu einem Zeitpunkt t_B. Als Reaktion auf die schrittweise Änderung der Spannung ist eine zeitabhängige Änderung einer elektrischen Stromstärke zu beobachten. Die elektrische Stromstärke in Funktion der Zeit wird durch die Funktion 1' dargestellt. Eine Zeitdauer Δt_MS stellt die Dauer des bestimmten Messschritts dar, der in der gezeigten Darstellung mit einer weiteren schrittweisen Änderung der elektrischen Spannung endet. Die Bezeichnung Δt_R bezeichnet eine Ausführungsform einer Reaktionszeit. Die Reaktionszeit ist eine Zeit, die abgewartet wird, damit eine abhängige Messgröße, in gegebenen Fall die elektrische Stromstärke, nach der schrittweisen Änderung des schrittweise geänderten Wertes, in vorliegendem Fall der elektrischen Spannung, reagiert. Eine Ausführungsform der bestimmbaren Zeitdauer ist als Δt_D angegeben. Wie bereits beschrieben ist die bestimmbare Zeitdauer eine Zeitdauer, die dadurch charakterisiert ist, dass die Reaktionszeit genauso lang wie oder länger als die bestimmbare Zeitdauer ist.
Ferner erfolgt die Abtastung zu und/oder nach der Reaktionszeit. Weiterhin ist in der gezeigten Ausführungsform eine Messdauer Δt_M gezeigt als eine Zeitdauer, während der in dem gezeigten Beispiel die Abtastung der normierten Stromstärke erfolgt. Wenn Δt_M auf eine infinitesimal kurze Messdauer reduziert wird, wäre die gezeigte Messung eine Punktmessung oder würde einer solchen gleichkommen.
In 2 sind Ergebnisse einer Ausführungsform des Bewertungsverfahrens für ein Photovoltaikelement 1 dargestellt. Das Verfahren wurde ausgeführt unter Verwendung einer beispielhaften Implementierung des Bewertungsverfahrens für ein Photovoltaikelement 1, das nachstehend erläutert wird, ähnlich dem in 5 gezeigten. Die gezeigten Messungen erfolgten während eines einzigen Lichtblitzes mit einer Belichtungsdauer eines Lichtblitzes von ungefähr 10 ms. Das in dem gezeigten Beispiel bewertete Photovoltaikelement 1 ist ein standardmäßiges hocheffizientes, hochkapazitives c-Si-Modul, das derzeit auf dem Markt verfügbar ist, z. B. SANYO Energy Corp., SunPower Corp., Yingli Green Energy Holding Co. Ltd. Die Leistungsmessungen erfolgten in einem kommerziell verfügbaren gepulsten Simulator Pasan gemäß dem Stand der Technik unter Standardtestbedingungen, abgekürzt STC, und umfassten die Werte G = 1000 W/m², T = 25°C; Spektrum AM 1,5 mit einer Durchlaufzeit in Vorwärts-Durchlaufrichtung von 10 ms und 12 μs Pausenzeit. Die Bestrahlung wurde gegenüber einem primären PTB-Referenzmodul kalibriert, wobei PTB für Physikalisch-Technische Bundesanstalt steht, das nationale Institut für Natur- und Ingenieurwissenschaften und die oberste technische Behörde für Metrologie und Sicherheitstechnik in Deutschland.
Sämtliche Messungen wurden in einem temperaturgeregelten dunklen Raum durchgeführt, der dafür ausgelegt ist, Licht von indirekter Beleuchtung in größtmöglichem Maße einzufangen. Für die Messungen wurde entschieden, die elektrische Spannung über dem Photovoltaikelement 1 unabhängig zu ändern, was in den gezeigten Experimenten unter Verwendung einer kommerziell verfügbaren gesteuerten Spannungsversorgungseinheit Pasan erfolgte, die mit vorberechneten Spannungspunkten konfiguriert ist. Dementsprechend war die elektrische Stromstärke eine abhängige Messgröße. Nach einer jeweils bestimmbaren Zeitdauer, im vorliegenden Fall verkörpert als Ablauf einer minimalen Zeitdauer, erfolgte die Abtastung der beiden jeweiligen Werte für elektrische Spannung und elektrische Stromstärke durch ein kommerzielles Strom-Spannungs-Messgerät Pasan mit 12 Bit und 7 Kanälen als eine Ausführungsform eines Amperemeters und eines Voltmeters. Es ist zu erkennen, dass die elektrische Stromstärke mit der Änderung der Spannung starke Hystereseeffekte zeigt. In dem gezeigten Beispiel wurden die jeweiligen Abtastzeiten quasi ex-situ durch Berechnung der minimalen Zeit abgeleitet, und zwar unter Verwendung der jeweiligen statischen Kapazitätsänderungen sowohl zu einem jeweiligen Schritt als auch dem unmittelbar vorangehenden Schritt. Dafür wurde eine Gleichung analog der vorstehend beschriebenen Gleichung (1) genutzt. Dafür wurde der entsprechende Änderungsbetrag, um den die Spannung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messschritten geändert wurde, derart gewählt, dass transiente Fehler entfielen. In 2 sind die Ergebnisse der beschriebenen Messungen als normierte Werte dargestellt, das heißt als normierte elektrische Spannung und normierte elektrische Stromstärke, d. h. die jeweiligen tatsächlichen Werte sind durch den jeweiligen maximalen Wert geteilt.
In 3 sind die Ergebnisse einer Messung entsprechend der vorstehend beschriebenen und in 2 gezeigten Messreihen dargestellt. Dafür ist die normierte elektrische Stromstärke in Funktion der normierten elektrischen Spannung gezeigt, d. h. es ist eine Strom-Spannungs-Kennlinie des jeweiligen Photovoltaikelements dargestellt. Zum Vergleich sind die Ergebnisse der dynamischen Strom-Spannungs-Messungen wie in 2 gezeigt mit Datenpunkten in Form von Kreuzen dargestellt, die in einem einzelnen Lichtblitz von 10 ms Dauer abgetastet wurden, und werden verglichen und erscheinen identisch mit der statischen Strom-Spannungs-Kennlinie des Moduls, die als durchgezogene Linie dargestellt ist und aus statischen Messungen erhalten wurde. Die statischen Kennlinien des Moduls wurden gemessen mit einer Strom-Spannungs-Messung mit linearem Durchlauf mit 10 Blitzen mit mehreren Abschnitten von insgesamt 100 ms Messzeit. Es sei angemerkt, dass die I/U-Kurve des gleichen Moduls, die mit einer konventionellen Vorwärts-Durchlaufmessung mit einem Einzelblitz mit 10 ms linearer Durchlaufzeit erhalten wurde, ebenfalls als durchgezogene Kurve dargestellt ist und Schwingungen und größere Abweichungen zeigt. Mit diesem Beispiel wurde gezeigt, dass mit dem Verfahren eine exakte und schnelle statische Kennlinie eines hochkapazitiven Photovoltaikmoduls mit einem einzigen Lichtblitz erhalten werden kann. Die in 3 gezeigten Ergebnisse demonstrieren folglich die Genauigkeit des entsprechend der Erfindung genutzten Verfahrens.
4 zeigt eine beispielhafte Implementierung des Photovoltaik-Bewertungsverfahrens. Das Ausführungsbeispiel einer Messsystemkonfiguration 8, das in 4 gezeigt ist, umfasst ein Photovoltaikelement 1, das mit einem Voltmeter 3 und einem Amperemeter 4 verbunden ist, wogegen letztere parallel zueinander geschaltet sind. Für den Anschluss des Photovoltaikelements 1 an die Messschaltung wird ein Verbindungssystem 9 genutzt.
Darüber hinaus ist eine elektrische Stromversorgungseinheit 5 in Reihe mit dem Amperemeter 4 geschaltet. Ein Eingang der elektrischen Stromversorgungseinheit 5 ist mit einer Regelungseinheit 16 zur Regelung der elektrischen Stromversorgungseinheit 5 verbunden. Ein Eingang der Regelungseinheit 16 ist mit einer Steuerungseinheit 7 zur Steuerung der Regelungseinheit 16 verbunden. Als Eingaben für die Steuerungseinheit 7 sind sowohl eine Strom-Spannungs-Rückkopplung 11 als auch dynamische Einstellungen 12 vorgesehen. In die Regelungseinheit 16 wird eine Stromstärke-Rückkopplung 14 eingespeist. Darüber hinaus ist in 4 eine unabhängige Messschaltung 10 gezeigt, die ein Amperemeter 13 umfasst. Frontal vor dem Photovoltaikelement 1 ist das lichtemittierende Element 2 gezeigt.
Beispielsweise könnte ein erstes Funktionsprinzip als Ausführungsform der Erfindung unter Verwendung beispielsweise der in 4 gezeigten Implementierung, d. h. bei der die elektrische Stromstärke direkt gesteuert wird und die elektrische Spannung ein abhängiger Wert ist, folgendermaßen ausgeführt werden. Bei Verwendung des ersten Funktionsprinzips werden die Laständerungen basierend auf einer vorbestimmten Schätzung der spannungsabhängigen Kapazität, C(V), der Messsystemkonfiguration geregelt:
Das Funktionsverfahren umfasst im Wesentlichen drei Phasen:

(i) In der ersten Phase wird die Änderung der spannungsabhängigen relativen Kapazität C(V) geschätzt. Da die erforderliche Information nicht absolut ist, lassen sich die Werte durch eine Fülle von Verfahren abschätzen. Zusätzlich zu den herkömmlichen Verfahren der Messung der elektrischen Impedanz einer Einrichtung kann die relative Änderung der Kapazität auch durch eine Messung des Photostrom-Ansprechens gemessen werden, oder einfach durch Vergleich der Strom-Spannungs-Kennlinien, die mit unterschiedlichen Durchlaufzeiten oder Durchlaufrichtungen erfasst wurden. Für den Erfolg des Verfahrens ist lediglich eine Schätzung der relativen Kapazitätsänderung erforderlich. Daher lassen sich ausreichende Daten auch schnell unter dunklen Bedingungen erfassen. Die daraus abgeleitete relative Kapazität kann dann unabhängig genutzt werden oder kann mit Hilfe einer Kapazitätsmodellierung für Solarzellen oder -module weiter verfeinert werden. Solche korrigierenden Iterationen lassen sich augenblicklich realisieren.
(ii) In der zweiten Phase werden die dynamischen Einstellungen der elektronischen Last berechnet. Das angelegte Lastnetz wird mit Hilfe einer geeigneten Gleichung berechnet. In den gezeigten Messungen wurde folgende Gleichung verwendet:
In dieser Gleichung ist t(I_i,mess, V_i,mess) ein Wert, der als minimale Zeitdauer genutzt wird, die vorzugsweise nach der Änderung von zumindest entweder der elektrischen Stromstärke oder der elektrischen Spannung ablaufen soll. In dieser Gleichung ist (I_i,mess, V_i,mess) ein Messwertpaar für Stromstärke-Spannung für einen i-ten Datenpunkt einer Strom-Spannungs-Kennlinie, die aus N Punkten besteht. C(I_i,SS, V_i,SS) ist die relative Kapazität, die den statischen Strom-Spannungs-Zuständen (I_i,SS, V_i,SS) entspricht. C(I_i-1,SS, V_i,SS) ist die relative Kapazität, die den statischen Strom-Spannungs-Zuständen des vorhergehenden (i – 1)-ten Datenpunktes entspricht. Für den speziellen Fall von i = 1 entspricht die relative Kapazität C(I_i-1,SS, V_i,SS) einem Vorspannungszustand des Photovoltaikelements. Die Konstante c bezieht sich auf eine Verzögerung, die durch die Lastregelung eingetragen wird. Die Anzahl der gemessenen Punkte N innerhalb des Zeitrahmens T ist geeignet so gewählt, dass ein beliebiges Paar (I_i,mess, V_i,mess) aus gemessener Stromstärke und Spannung der Strom-Spannungs-Kurve mit seinen statischen Werten (I_i,SS, V_i,SS) reproduzierbar ist und keine wesentlichen Anzeichen von transienten Fehlern zeigt. Mit der vorstehenden Gleichung können ein Netz von Änderungen von elektrischen Stromstärken, die in Funktion der Zeit angelegt werden sollen, und die geschätzte spannungsabhängige relative Kapazität, d. h. die in 2 gezeigte Kurve V(t), berechnet werden.
(iii) In einer dritten Phase kann die Steuerungseinheit 7 dann genutzt werden, um das berechnete Lastnetz in aufeinanderfolgenden Schritten an das Photovoltaikelement 1 anzulegen und nach Ablauf einer Zeit t_i die Spannung mit dem Voltmeter 3 zu messen.

Als weiteres Beispiel könnte ein zweites Funktionsprinzip als Ausführungsform der Erfindung wie nachfolgend erläutert ausgeführt werden, indem zum Beispiel die in 4 gezeigte Implementierung genutzt wird, d. h. wobei die elektrische Stromstärke direkt gesteuert wird und die elektrische Spannung ein abhängiger Wert ist.
Bei dem zweiten Verfahren wird eine Rückkopplung in Echtzeit genutzt, um die Abtastung der Strom-Spannungs-Daten auszulösen. Dieses umfasst zwei Phasen:

(i) In einer ersten Phase wird ein Regelungsalgorithmus ausgelöst, wobei eine Last an das Photovoltaikelement 1 angelegt wird und diese konstant gehalten wird, bis die Bedingungen dI/dt → 0 und dV/dt → 0 gleichzeitig erfüllt sind, wobei dI/dt die Ableitung der gemessenen elektrischen Stromstärke nach der Zeit bezeichnet und, dV/dt die Ableitung der gemessenen elektrischen Spannung nach der Zeit bezeichnet. Um die Anzahl an gemessenen I/U-Datenpunkten zu erhöhen, kann auch ein alternatives Verfahren realisiert werden. Das Verfahren ermöglicht es Messungen auszuführen, während dI/dt noch nicht vollständig stabilisiert ist. Bei diesem Verfahren wird die stabilisierte Stromstärke anhand von teilweise stabilisierten Daten berechnet, und zwar mit Hilfe eines kapazitätsbasierten Fitting-Algorithmus wie in 7 gezeigt. Das Verfahren kann entweder in Echtzeit angewendet werden oder nachdem die Messung durchgeführt wurde. 8 zeigt sie zeitliche Optimierung, die mit Hilfe eines Kapazitätslademodells erreicht werden kann. In der grafischen Darstellung sind die modellierten Daten, die basierend auf einem Kapazitätsmodell berechnet wurden, mit den tatsächlich gemessenen Werten verglichen. Es ist zu sehen, dass das dynamische Verhalten des Bauelements erfolgreich vorhergesagt werden kann und das Zeitmanagement weiter optimiert werden kann. Ungeachtet dessen können beide Verfahren, die eine vollständige und eine partielle Relaxation des Ansprechens des Bauelements gestatten, heterogen in der gleichen Messung verwendet werden, um die Zuverlässigkeit des Verfahrens zu verbessern. In beiden 7 und 8 ist die Zeit in willkürlichen Einheiten, abgekürzt mit ”will. Einh.”, angegeben.
(ii) Wenn die Bedingungen erfüllt sind, beginnt die zweite Phase. Die Strom- und Spannungsmesswerte werden abgetastet, und der Regelungsalgorithmus legt eine neue Last an das Testobjekt an. Der Vorgang wird wiederholt, bis die vollständige Strom-Spannungs-Verfolgung erreicht ist, d. h. dass aus den erhaltenen Daten eine zeitabhängige Strom-Spannungs-Kennlinie zusammengesetzt werden kann. Aus theoretischer Sicht, d. h. einer Äquivalenzschaltungssimulation, zeigt dieses Verfahren optimierte Ergebnisse, da mit diesem in-situ die Anzahl von Punkten und die erforderliche Dauer für jede angelegte Last optimiert werden können. Hierbei müssen Strom-Spannungs-Strahlungsschwankungen berücksichtigt werden, um eine Änderung der angelegten Last auszulösen und die Endergebnisse zu verfeinern. Wenngleich das Verfahren unabhängig angewendet werden kann, funktioniert es auch gut im Zusammenhang mit dem Verfahren des ersten Algorithmus, um die Dauer des Lastsignals und das Intervall der angelegten Last zwischen den Messpunkten zu optimieren. Die Messpunktdichte kann in bestimmten interessierenden Bereichen erhöht werden, indem zuvor eine dunkle I/U-Messung unter Verwendung eines langsamen Stromstärke- oder Spannungs-Durchlaufs von typischerweise 50 ms bis 1 s durchgeführt wird, die dann zeitgenau während der Messung unter Licht berechnet wird, um die Zielbereiche zu lokalisieren. Darüber hinaus kann ein dynamischer MPP- und V_OC-Verfolgungsalgorithmus zeitgenau genutzt werden, um exakt die jeweiligen oder umgebenden I/U-Kennlinien zu bestimmen.

Ferner kann auch eine Kombination eines oder beider hier vorgestellter Verfahren mit anderen Verfahren und/oder mit zusätzlichen Algorithmen vorgesehen sein.
Beispielsweise kann eines oder können beide beschriebenen Verfahren auch genutzt werden, um die zeitliche Effizienz von Multiblitz-Messungen zu verbessern. In diesem Fall stellt der Zeitrahmen T die Gesamtmesszeit für die verwendeten Blitze dar.
Die vorstehend detailliert erläuterten vorgeschlagenen Messverfahren können auch in Kombination mit Algorithmen verwendet werden, durch welche die Strom-Spannungs-Datenpunktdichte in interessierenden Bereichen erhöht wird, z. B. bezüglich der Leistungsparameter I_SC, MPP, V_OC. Eine Anwendung solcher Verfahren würde die Schätzung von Leistungsparametern mit größerer Genauigkeit ermöglichen, aber auch das Erreichen einer vollständigen Strom-Spannungs-Verfolgung mit einem einzigen Lichtblitz. Ein Beispiel wäre die Implementierung eines Algorithmus, bei dem die Punktdichte mit einem Faktor bezüglich 1/(dP/dV) gewichtet wird, während Gleichung (1) zur Bestimmung der Anzahl von Abtastpunkten N und deren Dauer genutzt wird.
5 zeigt eine beispielhafte Implementierung des Photovoltaikelement-Bewertungsverfahrens. Das in 5 gezeigte Ausführungsbeispiel einer ersten Messsystemkonfiguration umfasst ein Photovoltaikelement 1, das mit einem Voltmeter 3 und einem Amperemeter 4 verbunden ist, wobei letztere parallel zueinander geschaltet sind. Weiterhin ist eine elektrische Spannungsversorgungseinheit 6 in Reihe mit dem Amperemeter 4 geschaltet. Ein Eingang der elektrischen Spannungsversorgungseinheit 6 ist mit einer Regelungseinheit 16 zur Regelung der elektrischen Spannungsversorgungseinheit 6 verbunden. Ein Eingang der Regelungseinheit 16 ist mit einer Steuerungseinheit 7 zur Steuerung der Regelungseinheit 16 verbunden. Als Eingabe für die Steuerungseinheit 7 sind eine Strom-Spannungs-Rückkopplung 11 und dynamische Einstellungen 12 vorgesehen. In die Regelungseinheit 16 wird eine Spannungsrückkopplung 15 eingespeist. Die weiteren Merkmale der in 5 gezeigten Ausführungsform sind analog zu den in 4 gezeigten vorgesehen.
6 zeigt eine beispielhafte Implementierung des Bewertungsverfahrens für ein Photovoltaikelement 1. Das in 6 gezeigte Ausführungsbeispiel einer zweiten Messsystemkonfiguration 8 umfasst ein Photovoltaikelement 1, das mit einem Voltmeter 3 und einem Amperemeter 4 verbunden ist, wobei letztere parallel zueinander geschaltet sind. Weiterhin ist eine steuerbare Impedanzlasteinheit 17 in Reihe mit dem Amperemeter 4 geschaltet. Ein Eingang der Impedanzlasteinheit 17 ist mit einer Steuerungseinheit 7 zur Steuerung der steuerbaren Impedanzlasteinheit 17 verbunden. Als Eingabe für die Steuerungseinheit 7 sind eine Strom-Spannungs-Rückkopplung 11 und dynamische Einstellungen 12 vorgesehen. Die weiteren Merkmale der in 6 gezeigten Ausführungsform sind analog zu den in 4 gezeigten vorgesehen.
Der Vorteil der beschrieben Erfindung besteht darin, dass ein Bewertungsverfahren für Photovoltaikelemente sowie geeignete Anordnungen bereitgestellt werden, die eine exakte Messung von Strom-Spannungs-Kennlinien von Photovoltaikelementen ermöglichen, insbesondere von hochkapazitiven Solarzellen oder -modulen, und zwar während eines einzigen Lichtblitzes, der nur einige Millisekunden dauert, typischerweise ungefähr 5 bis 10 ms. Dieses Ziel wird in einer Weise erreicht, bei der sichergestellt ist, dass durch die Ansprechzeit des Testobjekts sowie die Rate der Datenerfassung keine Fehler eingetragen werden, wobei auf IEC 60904-1 2006 verwiesen wird. Es wurde gezeigt, dass die resultierenden Strom-Spannungs-Kennlinien sehr genau Zuständen mit konstanter Spannung, konstanter Stromstärke und konstantem Licht entsprechen. Folglich wurde gezeigt, dass jeweils eine statische Strom-Spannungs-Kurve desselben Testobjekts sehr gut reproduziert werden kann.
Es ist bekannt, dass die Kapazität von Photovoltaikelementen in der Regel nahezu exponentiell mit der angelegten Spannung ansteigt. Damit würde die Zeit zur Messung eines Strom-Spannungs-Datenpunktes unabhängig und frei von kapazitiven Artefakten ebenfalls nahezu exponentiell ansteigen. Die Innovation in dem beschriebenen Verfahren besteht darin, dass der Belichtungsgrad sowie die Lastversorgungseinheit, die Spannung und/oder Stromstärke für eine Zeitdauer konstant gehalten werden, die proportional zur Kapazität des Elements ist, während die Messgrößen Stromstärke und/oder Spannung dynamisch aufgezeichnet werden, bis sich das Photovoltaikelement auf sein praktisch kapazitätsfreies Ansprechen stabilisiert. Somit wird mit dem beschriebenen Verfahren eine effiziente Nutzung der Messzeit erreicht, und es wird eine vollständige Strom-Spannungs-Verfolgung vom Kurzschlusszustand, abgekürzt I_SC, bis zum Leerlaufzustand, abgekürzt V_OC, mit einem einzigen Lichtblitz erreicht.
Die Neuheit der Erfindung besteht darin, dass die Zeit als eine unabhängige Variable in die Strom-Spannungs-Messungen eingeführt wird. Aus diesem Grund kann das Verfahren auch als dynamische Strom-Spannungs-Messung oder als dynamische I/U-Messung bezeichnet werden. Die Messdaten stellen Kurven der zeitabhängigen Spannung V(t) und der zeitabhängigen Stromstärke I(t) dar, deren Ansprechen sich sowohl mit der Änderung der anliegenden Last als auch der durch die Kapazität von Photovoltaikelementen bewirkten Hysterese ändert. Unter einer konstanten anliegenden Last würde die in dem Photovoltaikelement gespeicherte elektrische Ladung nahezu exponentiell mit der Zeit abfallen. Folglich würde auch die unabhängige Messgröße, die dynamisch aufgezeichnet wird, ein abfallendes Verhalten aufweisen. Alternativ kann eine ähnliche Messstrategie auch realisiert werden, indem die zeitabhängige elektrische Stromstärke I(t) gesteuert wird und die zeitabhängige Spannung V(t) überwacht wird. Hier würde die Spannung ebenfalls ein zeitliches Abfallen zeigen, bis sie sich auf ihrem Endwert stabilisiert. Wenngleich das Lastsignal theoretisch eine minimale Zeitdauer aufweist, um sicherzustellen, dass die abgetastete Messung nicht durch transiente Fehler beeinflusst ist, erhält der Nutzer dennoch eine unabhängige Rückkopplung bezüglich der Genauigkeit der Messung durch Beobachtung der gemessenen V(t)- und I(t)-Kennlinien.
Die Anwendung der Erfindung bietet deutliche Vorteile für die Messung, Testung und/oder Klassifizierung von Photovoltaikelementen und insbesondere von hocheffizienten, hochkapazitiven kristallinen Photovoltaikelementen. Insbesondere liefert die Erfindung eine Grundlage für kosteneffiziente, schnelle und exakte Leistungsmessungen in Forschung und Entwicklung, in der Industrie und bei der Zertifizierung mit einem einzelnen Lichtblitz. Das vorgeschlagene Photovoltaikelement-Bewertungsverfahren kann alternativ auch genutzt werden, um die Effizienz von Multiblitz-Strom-Spannungs-Messungen zu verbessern.

Claims

Bewertungsverfahren für Photovoltaikelemente, das eine zeitlich gesteuerte Messung einer Strom-Spannungs-Kennlinie eines Photovoltaikelements (1) umfasst, wobei das Photovoltaikelement (1) in einer Messschaltung angeordnet wird, um mindestens einen elektrischen Strom und/oder eine elektrische Spannung des Strom-Spannungs-Kennlinie zu messen, wobei das Photovoltaikelement-Bewertungsverfahren ferner umfasst: – Belichten des Photovoltaikelements (1) mit mindestens einem kurzen Lichtblitz mit einer diskreten Belichtungsdauer, wobei der kurze Lichtblitz von einem pulsbaren lichtemittierenden Element (2) erzeugt wird, und – Durchführen einer Reihe von Messschritten während der Belichtungsdauer, wobei jeder der Messschritte umfasst: – schrittweises Ändern mindestens eines der Parameter elektrische Stromstärke, elektrische Spannung und Impedanzlast, – Abtasten mindestens eines Wertes, der mit mindestens einem der anderen Parameter elektrische Stromstärke, elektrische Spannung oder Impedanzlast in Beziehung steht.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei eine Reaktionszeit für den Wert bezüglich einer Erhöhung oder Verminderung während eines Messschrittes genau so lang wie oder länger als eine bestimmbare Zeitdauer für den Messschritt ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei dieses ferner umfasst: – Abtasten sowohl der elektrischen Stromstärke als auch der elektrischen Spannung zumindest gegen Ende der bestimmbaren Zeitdauer, – Beginnen eines nächsten Messschrittes zumindest kurz nach dem Abtasten von sowohl der elektrischen Stromstärke als auch der elektrischen Spannung, sofern nicht ein vorgesehener Maximalwert von zumindest entweder der elektrischen Stromstärke oder der elektrischen Spannung erreicht wird.
Verfahren nach Anspruch 2 oder Anspruch 3, welches ein Anpassen der bestimmbaren Zeitdauer in Abhängigkeit von einem Zustand eines statischen Wertes des mindestens einen Wertes umfasst, vorzugsweise der elektrischen Stromstärke und/oder der elektrischen Spannung, der zumindest in einem gewissen Grade erreicht werden soll.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei das Bestimmen der bestimmbaren Zeitdauer in Abhängigkeit von einem Sättigungsverhalten des Photovoltaikelements, das als Modell eines kapazitiven Elements betrachtet wird, erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, welches ferner das Bestimmen der bestimmbaren Zeitdauer unter Verwendung eines Kapazitätslademodells umfasst, wobei durch Extrapolation einer zeitabhängigen Änderung von zumindest entweder der elektrischen Stromstärke oder der elektrischen Spannung durch Fitting das Kapazitätslademodell erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 6, welches ferner das Bestimmen der bestimmbaren Zeitdauer unter Verwendung einer jeweiligen relativen Kapazitätsänderung, vorzugsweise entsprechend statischen Strom-Spannungs-Zuständen, zwischen einem aktuellen Messschritt und einem vorausgegangenen Messschritt umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 7, welches das Bestimmen der bestimmbaren Zeitdauer unter Verwendung von
oder einer Modifikation dieser Formel umfasst.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 8, welches vorzugsweise zusätzlich eine Regelung der bestimmbaren Zeitdauer umfasst, und zwar mindestens durch: – Bestimmen einer zeitlichen Ableitung der elektrischen Stromstärke und/oder der elektrischen Spannung, und – Überprüfen der zeitlichen Ableitung auf Übereinstimmung mit einem Sollwert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, welches vorzugsweise zusätzlich ein vorzugsweise iteratives Anpassen, ex-situ oder in-situ, des Betrags der Änderung von mindestens entweder der elektrischen Stromstärke, der elektrischen Spannung oder der Impedanzlast umfasst, und zwar unter Verwendung einer geschätzten Abhängigkeit einer Zeitdauer, vorzugsweise der bestimmbaren Zeitdauer, von der elektrischen Stromstärke, der elektrischen Spannung und/oder der Impedanzlast, vorzugsweise unter zusätzlicher Verwendung einer Bedingung, dass transiente Fehler vernachlässigbar bleiben.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die Änderung von zumindest entweder der elektrischen Stromstärke, der elektrischen Spannung oder der Impedanzlast während zumindest eines Teils der Messung in gleichmäßigen Schritten von Änderungsbeträgen erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Reihe von Messschritten vollständig oder teilweise innerhalb eines einzigen kurzen Blitzes durchgeführt wird.
Messsystemkonfiguration (8) zur Durchführung von zeitlich gesteuerten Messungen der Strom-Spannungs-Kennlinien von austauschbaren Photovoltaikelementen (1), wobei die Messsystemkonfiguration (8) zumindest umfasst: – ein Verbindungssystem (9) zum Anschließen eines Photovoltaikelements (1) an eine Messschaltung der Messsystemkonfiguration (8), – ein pulsbares lichtemittierendes Element (2), – ein Voltmeter (3) und ein Amperemeter (4), die zueinander und zu dem Verbindungssystem (9) parallel geschaltet sind, – mindestens eine der folgenden Komponenten – eine elektrische Stromversorgungseinheit (5) zur Steuerung einer elektrischen Stromstärke, die mit dem Amperemeter (4) verbunden ist, – eine elektrische Spannungsversorgungseinheit (6) zur Steuerung einer elektrischen Spannung, die mit dem Voltmeter (3) verbunden ist, und – eine steuerbare Impedanzlasteinheit (17) zur Steuerung einer Impedanzlast, die mit mindestens entweder dem Amperemeter (4) oder dem Voltmeter (3) verbunden ist, – eine Steuerungseinheit (7) zum Steuern zumindest entweder der elektrischen Stromversorgungseinheit (5), der elektrischen Spannungsversorgungseinheit (6) und/oder der steuerbaren Impedanzlasteinheit (17), wobei die Steuerungseinheit (7) während der Messungen in der Lage ist, eine schrittweise Änderung mindestens eines der Parameter elektrische Stromstärke, elektrische Spannung oder Impedanzlast zumindest auszulösen.
Messsystemkonfiguration (8) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (7) eine Auslöseeinrichtung für eine Änderung zumindest eines der Parameter elektrische Stromstärke, elektrische Spannung oder Impedanzlast umfasst, wenn zumindest in gewissem Grade ein statischer Wert der elektrischen Stromstärke und/oder der elektrischen Spannung erreicht ist.
Messsystemkonfiguration (8) nach Anspruch 13 oder Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (7) eine Auslöseeinrichtung für eine Änderung zumindest eines der Parameter elektrische Stromstärke, elektrische Spannung oder Impedanzlast umfasst, wenn zumindest eine Übereinstimmung einer zeitlichen Ableitung der elektrischen Stromstärke und/oder der elektrischen Spannung mit entsprechenden Sollwerten durch die Steuerungseinheit (7) festgestellt wird.
Messsystemkonfiguration (8) nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (7) eine Auslöseeinrichtung für eine Änderung zumindest eines der Parameter elektrische Stromstärke, elektrische Spannung oder Impedanzlast zu Zeitpunkten und/oder um Beträge der schrittweisen Änderung umfasst, die unter Verwendung jeweiliger relativer Kapazitätsänderungen, die vorzugsweise statischen Strom-Spannungs-Zuständen zwischen jeweils zwei aufeinanderfolgenden Messschritten entsprechen, bestimmt werden.
Messsystemkonfiguration (8) nach einem der Ansprüche 13 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (7) mit einer Verarbeitungseinheit verbunden ist, wobei die Verarbeitungseinheit die Zeitpunkte und/oder Beträge der schrittweisen Änderung durch In-situ-Verwendung von Werten, die von dem Voltmeter und/oder dem Amperemeter gemessen werden, berechnet.
Messsystemkonfiguration (8) nach einem der Ansprüche 13 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerungseinheit (7) mit einer Speichereinheit verbunden ist, die mit vorbestimmten Werten für die Zeitpunkte und/oder Beträge der schrittweisen Änderung gefüllt ist.
Messsystemkonfiguration (8) nach einem der Ansprüche 13 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Messsystemkonfiguration (8) eine unabhängige Messschaltung (10) zur Durchführung von Referenzmessungen umfasst, wobei die unabhängige Messschaltung zumindest umfasst: – ein Photovoltaik-Referenzelement, das in einer vergleichbaren Anordnung mit dem pulsbaren lichtemittierenden Element (2) angeordnet ist wie das Photovoltaikelement (1), – ein weiteres Amperemeter und/oder ein weiteres Voltmeter.
Messsystemkonfiguration (8) nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei das Verbindungssystem (9) zur Verbindung mit standardisierten Photovoltaikelementen (1) zur Durchführung einer Photovoltaikelement-Bewertung mit hohem Durchsatz ausgelegt ist.
Bewertungsvorgang mit Verwendung einer Messsystemkonfiguration (8) gemäß einem der Ansprüche 13 bis 20 zur Durchführung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 12 zum Zwecke der Produktklassifizierung von Photovoltaikelementen (1).