EP2718733A2 - Verfahren zur messung der hochspannungsdegradation von zumindest einer solarzelle oder eines photovoltaik-moduls sowie verwendung desselben bei der herstellung von solarzellen und photovoltaik-modulen - Google Patents

Verfahren zur messung der hochspannungsdegradation von zumindest einer solarzelle oder eines photovoltaik-moduls sowie verwendung desselben bei der herstellung von solarzellen und photovoltaik-modulen

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EP2718733A2
EP2718733A2 EP12730409.5A EP12730409A EP2718733A2 EP 2718733 A2 EP2718733 A2 EP 2718733A2 EP 12730409 A EP12730409 A EP 12730409A EP 2718733 A2 EP2718733 A2 EP 2718733A2
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EP
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solar cell
photovoltaic module
conductive plastic
solar cells
voltage
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Henning Nagel
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    • G01R31/12—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing
    • G01R31/1227—Testing dielectric strength or breakdown voltage ; Testing or monitoring effectiveness or level of insulation, e.g. of a cable or of an apparatus, for example using partial discharge measurements; Electrostatic testing of components, parts or materials
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Hochspannungsdegradation (PID) von zumindest einer Solarzelle. Erfindungsgemäß wird ein leitfähiger Kunststoff auf die Ober- oder Unterseite, insbesondere die Vorderseite, der jeweiligen Solarzelle aufgedrückt und eine Gleichspannung, die größer als 50 V ist, zwischen den Kunststoff und die jeweilige Solarzelle angelegt. Alternativ können Coronaentladungen auf Solarzellen bzw. Photovoltaik-Module aufgebracht werden. In einer Ausführungsform wird eine elektrische Kenngröße der jeweiligen Solarzelle bzw. des Photovoltaik-Moduls wiederholt in zeitlichen Abständen gemessen. Das erfindungsgemäße Verfahren kann an einzelnen Solarzellen ausgeführt werden, die nach bestandenem Test ohne weitere aufwändige Aufbereitung unmittelbar weiterverarbeitet werden können, beispielsweise zu einem Photovoltaik-Modul. Grundsätzlich ist das Verfahren auch geeignet zur Messung an kompletten Photovoltaik-Modulen.

Description

VERFAHREN ZUR MESSUNG DER HOCHSPANNUNGSDEGRADATION VON ZUMINDEST EINER SOLARZELLE ODER EINES PHOTOVOLT AIK-MODULS SOWIE VERWENDUNG DESSELBEN BEI DER HERSTELLUNG VON SOLARZELLEN UND PHOTO VOLT AI -MODULEN
Die vorliegende Anmeldung beansprucht die Prioritäten der Deutschen Patentanmeldungen DE 10 2011 104 693.7 „VERFAHREN ZUR MESSUNG DER HOCHSPANNUNGSDEGRATION VON ZUMINDEST EINER SOLARZELLE", angemeldet am 5. Juni 2011 und DE 10 2011 051 112.1„VERFAHREN ZUR MESSUNG DER HOCHSPANNUNGSDEGRADATION VON ZUMINDEST EINER SOLARZELLE ODER EINES PHOTO VOLTAIK-MODULS", angemeldet am 16. Juni 2011, deren gesamter Inhalt hiermit im Wege der Bezugnahme ausdrücklich mit beinhaltet sei.
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren zur Messung der Hochspannungsdegradation (High Voltage Stress (HVS) oder Potential Induced Degradation (PID)) von Solarzellen und betrifft insbesondere ein Verfahren zu Messung der Hochspannungsdegradation von zumindest einer Solarzelle. Gemäß einer bevorzugten Ausfuhrungsform wird bei dem Verfahren ein elastischer leitfähiger Kunststoff auf die jeweilige Solarzelle gedrückt und gleichzeitig eine elektrische Kenngröße der jeweiligen Solarzelle wiederholt in zeitlichen Abständen gemessen. Weitere Anwendungen betreffen auch die Hochspannungsdegradation und die Messung entsprechender Kenngrößen für fertige Photo voltaik-Module. Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft die Verwendung eines solchen Verfahrens bei der Herstellung von Solarzellen oder Photovoltaik-Modulen.
Hintergrund der Erfindung Ein typisches Photovoltaik-Modul umfasst eine Mehrzahl von Solarzellen, die mit Hilfe von metallischen Verbindern in Reihe geschaltet sind. Die Solarzellen sind in ein Einbettungsmaterial einlaminiert, das isolierend ist und diese vor Witterungseinflüssen schützen soll. Heutzutage werden durch die Reihenschaltung der Solarzellen in einem Photovoltaik-Modul und die Reihenschaltung mehrerer solcher Photovoltaik-Module zu einem System regelmäßig Systemspannungen von mehreren 100 V erzeugt, so dass sich sehr hohe elektrische Felder zwischen Solarzellen und Erdungspotential ergeben, die zu unerwünschten Verschiebungs- und Ableitströmen führen. Dadurch können insbesondere Ladungen auf der Oberfläche der Solarzellen dauerhaft deponiert werden, die deren Parallelwiderstand und somit deren Wirkungsgrad erheblich reduzieren können. In Photovoltaik-Modulen wird dieser Prozess insbesondere deshalb ermöglicht und in Gang gehalten, weil die Solarzellen im Modul doch nicht so hermetisch eingekapselt und isoliert sind, wie dies die Materialeigenschaften hergeben sollten. Das Einkapselungsmaterial, in welchem die Solarzellen eingebettet sind, der Modulrahmen und selbst das vordere Abdeckglas ermöglichen die Bildung von Leckströmen. Davon betroffen sind nicht nur kristalline Silizium-Solarzellen sondern auch Dünnschicht-Solarzellen.
J. Berghold, O. Frank et al., "Potential Induced Degradation of solar cells and panels", 5th World Conference on Photo voltaic Energy Conversion, 6-10 September 2010, Valencia, Spain, S. 3753-3759 und S. Pingel, O. Frank et al., "Potential Induced Degradation of solar cells and panels", Proceedings of the 35th IEEE PVSC, 2010 offenbaren ein Modultestverfahren, bei dem auf das Frontglas ein konstanter und kontinuierlicher Wasserfilm durch Aufsprühen aufgebracht wird oder eine hohe Luftfeuchtigkeit von z. B. 85 % eingestellt wird und eine hohe Spannung zwischen Zellmatrix und Modulrahmen angelegt wird. In sich wiederholenden Abständen werden der Wasserfilm entfernt und elektrische Kenngrößen, insbesondere die Strom-Spannungs-Kennlinie unter Beleuchtung oder der Parallelwiderstand, gemessen. Teilweise wird auch ein leitfähiger Lack auf die Vorderseite der Module aufgebracht. In diesem Fall muss er aufwendig vor einer Messung der Strom-Spannungs-Kermlinie unter Beleuchtung entfernt werden.
Diese Testverfahren betreffen komplettierte Photovoltaik-Module, wobei die Leitfähigkeit auf der Vorderseite durch einen Wasserfilm oder einen leitfahigen Lack erhöht wird. Ein zuverlässiger Test einzelner Solarzellen, insbesondere ein Schnelltest, existiert hingegen nicht. Somit besteht keine Handhabe, um einzelne Solarzellen noch vor deren Integration in ein Photovoltaik-Modul zu bewerten und möglicherweise schadhafte Solarzellen auszusortieren. Es existiert auch kein Schnelltest für Photovoltaik-Module, der die Verwendung von Wasser oder erhöhter Luftfeuchtigkeit oder eines leitfähigen Lacks vermeidet.
EP 1 274 760 Bl und US 2007/0246094 AI offenbaren Elektroden aus Kunststoff für Solarzellen, die entweder durch Schichtabscheidetechniken fest mit der Halbleiteroberfläche verbunden sind oder die in Form von nur lokal auf eine Oberfläche aufbringbare Messspitzenelektroden vorliegen.
Aus der EP 1 024 369 AI sind großflächige und wieder lösbare Elektroden in Form von Elektrolytlösungen bekannt, was jedoch einen anderen Lösungsansatz darstellt. Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfaches und rasch auszuführendes Verfahren bereitzustellen, mit dem die Stabilität von Solarzellen gegenüber dem Aufbringen von Ladungen zuverlässig getestet werden kann. Weitere Anwendungen betreffen auch entsprechende Testverfahren für fertige Photovoltaik-Module.
Diese Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch ein Verfahren zur Messung der Hochspannungsdegradation von zumindest einer Solarzelle oder eines Photovoltaik-Moduls nach Anspruch 1 sowie durch die Verwendung dieser Verfahren nach Anspruch 36 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der rückbezogenen Unteransprüche.
Bei einem Verfahren zur Messung der Hochspannungsdegradation von zumindest einer Solarzelle nach der vorliegenden Erfindung wird ein elektrisch leitfähiger Kunststoff, insbesondere ein elektrisch leitfähiger Kunststoff mit einer gewissen Elastizität, wie beispielsweise ein geeigneter elastomerer Kunststoff oder Schaumstoff, auf die Ober- oder Unterseite, insbesondere die Vorderseite, der jeweiligen Solarzelle aufgedrückt und eine Gleichspannung, die größer als 50 V ist und insbesondere die Größenordnung von mehreren 100 V bis beispielsweise etwa 6500 V erreichen kann, zwischen den leitfähigen Kunststoff und die jeweilige Solarzelle angelegt. Bevorzugt ist die jeweilige Solarzelle während des Hochspannungs-Degradationsprozesses dabei unmittelbar auf einer geerdeten Bodenplatte angeordnet, beispielsweise aus Edelstahl. Die Gleichspannung wird dabei bevorzugt gleichmäßig an die Ober- oder Unterseite, insbesondere die Vorderseite, der jeweiligen Solarzelle angelegt. Überraschenderweise hat es sich gezeigt, dass durch diese Testbedingungen reale Einsatzbedingungen gut simuliert werden können. Insbesondere lassen sich Leckströme einfach und zuverlässig detektieren, ohne dass dabei die jeweilige Solarzelle einer feuchten Umgebung oder gar einem permanenten Wasserfilm ausgesetzt zu werden braucht. Vielmehr kann erfindungsgemäß die jeweilige Solarzelle quasi unter Trockenbedingungen zuverlässig getestet werden und somit nach bestandenem Test zum Einbau in Photovoltaik-Module unmittelbar weiter verwendet werden, ohne dass aufwendige Reinigungs- und Weiterverarbeitungsprozesse erforderlich wären, um die jeweilige Solarzelle überhaupt geeignet für den weiteren Verbau in Photovoltaik-Module zu machen.
Die Hochspannung kann dabei an den leitfähigen Kunststoff über eine Hochspannungselektrode angelegt werden, wobei bevorzugt die gesamte Rückseite der leitfähigen Schaumstoffschicht, also die der Ober- oder Unterseite, insbesondere die der Vorderseite der Solarzelle, abgewandte Rückseite des Schaumstoffs, zumindest in dem der Solarzelle unmittelbar gegenüberliegenden Bereich vollständig mit einer leitfähigen Schicht überzogen bzw. beschichtet ist, insbesondere einer Metallschicht bzw. Metallisierung. So können Ladungen noch gleichmäßiger verteilt werden.
In einer Ausführungsform wird während des Anlegens der hohen Gleichspannung eine elektrische Kenngröße der jeweiligen Solarzelle, beispielsweise eine Spannungs-Strom- Kennlinie (UI-Kennlinie) und/oder ein Parallelwiderstand wiederholt und in zeitlichen Abständen gemessen, um die jeweilige Solarzelle zu charakterisieren und Daten zu gewinnen, auf deren Grundlage die Qualität und Eignung der jeweiligen Solarzelle zum Einbau in ein Photovoltaik-Modul beurteilt werden kann.
Zur Bereitstellung zuverlässiger Testbedingungen wird der elektrisch leitfahige Kunststoff bevorzugt mit einem vorbestimmten und gleichmäßig über die gesamte Fläche der jeweiligen Solarzelle bzw. Solarzellen verteilten Druck beaufschlagt, wobei der Druck bevorzugt so gewählt ist, dass der Schaumstoff seine elastischen Eigenschaften beibehält und somit für einen erneuten Test wiederverwendbar ist. Dabei sollte auf einen gewissen Mindestdruck geachtet werden, um eine vollflächige Anlage des Schaumstoffs auf der Ober- oder Unterseite, insbesondere der Vorderseite, der jeweiligen Solarzelle zu gewährleisten, dieser Druck kann beispielsweise zumindest 0,3 kPa betragen.
Als elektrisch leitfähige Kunststoffe eignen sich dabei insbesondere elastische Schaumstoffe aus einem Kunststoff auf Styrol- oder Polyurethanbasis, hergestellt insbesondere auch unter inerten Gasatmosphären, insbesondere Edelgasatmosphären. Außerdem eignet sich leitfähiger elastischer Gummi und Silikon.
Zur gleichmäßigen Verteilung des Drucks auf die gesamte Fläche der jeweiligen Solarzelle kann dabei der Druck mittels einer auf die Rückseite des leitfähigen Kunststoffs einwirkenden isolierenden Kunststoffplatte ausgeübt werden. Dabei kann insbesondere eine faserverstärke Kunststoffplatte eingesetzt werden, was eine vergleichsweise hohe Biegesteifigkeit ermöglicht und somit eine Vergleichmäßigung des Drucks auch bei lokaler Krafteinwirkung auf die Kunststoff platte.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die Gleichspannung von einer Hochspannungsquelle mittels zumindest einer Elektrode angelegt, die mit der Rückseite, d. h. mit der vorgenannten Ober- oder Unterseite, insbesondere der Vorderseite, der jeweiligen Solarzelle abgewandten Seite, des leitfähigen Schaumstoffs verbunden ist und diese kontaktiert.
Bevorzugt wird in dem ersten bzw. zweiten Verfahrensschritt eine erste bzw. zweite elektrische Spannung zwischen der Solarzelle und einer Gegenelektrode oder zwischen der Zellmatrix eines Photovoltaik-Moduls und einer Gegenelektrode angelegt. Hierzu liegt die Solarzelle bzw. das Photovoltaik-Modul mit der Rückseite zweckmäßig auf einer geerdeten Bodenplatte auf, wobei die vorgenannte erste bzw. zweite Spannung mittels einer Gegenelektrode an die Ober- oder Unterseite, insbesondere die Vorderseite, der Solarzelle bzw. des Photovoltaik-Moduls angelegt wird. Als Gegenelektrode eignet sich insbesondere ein elastischer, elektrisch leitfähiger Kunststoff, der gegen die Ober- oder Unterseite, insbesondere die Vorderseite, der Solarzelle bzw. des Photovoltaik-Moduls geeignet angedrückt wird. Die Gegenelektrode liegt zweckmäßig vollflächig an der Oberoder Unterseite, insbesondere der Vorderseite, der Solarzelle bzw. des Photovoltaik- Moduls an und wird zu diesem Zweck mittels einer Druckplatte oder dergleichen gegen die Ober- oder Unterseite, insbesondere die Vorderseite, der Solarzelle bzw. des Photovoltaik- Moduls gedrückt. Die Gegenelektrode muss nicht notwendigerweise an der gesamten Oberfläche der Ober- oder Unterseite, insbesondere der Vorderseite, der Solarzelle bzw. des Photovoltaik-Moduls anliegen, tut dies jedoch gemäß einer weiter bevorzugten Ausfuhrungsform.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die elektrische Kenngröße der Solarzelle mittels einer Messelektrode gemessen, die mittels einer isolierenden Hülse, insbesondere einer Kunststoffhülse, den leitfahigen Kunststoff durchgreift und mit der Ober- oder Unterseite, insbesondere der Vorderseite, der jeweiligen Solarzelle, vorzugsweise der Metallisierung auf der Vorderseite der jeweiligen Solarzelle, in Kontakt steht. Zur Kontaktierung der Vorderseite der Solarzelle kann dabei ein berührender Kontakt ausreichend sein. Dabei kann die Dicke des leitfahigen Kunststoffs variieren, beispielsweise je nach zu realisierenden Testbedingungen oder aufgrund der Druckbeaufschlagung. Somit sind die Messelektrodenhülsen bevorzugt höhenverstellbar ausgelegt.
Alternativ befinden sich bei Rückkontaktsolarzellen in der Vorrichtung mindestens zwei getrennte Kontakte auf der Rückseite.
Bevorzugt liegt der Schichtwiderstand des leitfähigen Kunststoffs, d. h. der spezifische Widerstand/Dicke im Bereich zwischen und 105 bis 1011 Ω/sq, um eine gleichmäßige Aufladung der Solarzelle zu gewährleisten.
Gemäß einer weiteren Ausfuhrungsform wird die elektrische Kenngröße einer Mehrzahl von Solarzellen sequenziell gemessen, indem die Solarzellen in einer vorbestimmten Reihenfolge mittels eines Multiplexers und in vorbestimmten Zeitabständen zugeschaltet bzw. durchgeschaltet werden, um die jeweilige Testmessungen auszuführen. Die elektrische Kenngröße der jeweiligen Solarzelle kann dabei gemäß einer weiteren Ausfuhrangsform auch gemessen werden, während der leitfähige Kunststoff auf die Oberoder Unterseite, insbesondere die Vorderseite, der jeweiligen Solarzelle aufgedrückt wird und die Gleichspannung angelegt wird. Gemäß einer weiteren alternativen Ausführungsform werden Coronaentladungen auf die jeweilige Solarzelle bzw. Solarzellen aufgebracht und die elektrische Kenngröße der jeweiligen Solarzelle wiederholt in zeitlichen Abständen gemessen. Bei dieser Ausführungsform ist der vorgenannte leitfähige Kunststoff nicht notwendig, die Coronaentladungen können auch in Anwesenheit einer Gasatmosphäre, insbesondere Luft, aufgebracht werden. Die Messung erfolgt in entsprechender Weise mittels einer
Messelektrode, welche die Ober- oder Unterseite, insbesondere die Vorderseite, der Solarzelle lokal berührt, wie vorstehend beschrieben.
Bevorzugt handelt es sich bei der elektrischen Kenngröße um eine Strom-Spannungs- Kennlinie und/oder einen Parallelwiderstand der jeweiligen Solarzelle, die über einen ausgedehnten Zeitraum von beispielsweise vierundzwanzig Stunden gemessen wird. Anhand des zeitlichen Verlaufs der jeweiligen Kenngröße kann dabei auf die Hochspannungsdegradation zurückgeschlossen werden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform können die Testbedingungen auch eine erhöhte
Luftfeuchtigkeit und/oder Temperatur in der Umgebung einschließen, zu welchem Zweck die zu testende Solarzelle auch in eine Klimakammer oder dergleichen eingebracht werden kann, worin vorbestimmte Werte und/oder Zeitverläufe dieser Parameter eingestellt werden können. Die Luftfeuchtigkeit kann dabei beispielsweise 85 % betragen und die Temperatur 85°C.
Ein weiterer Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung betrifft ferner die Verwendung eines Verfahrens, wie vorstehend beschrieben, zur Messung der Hochspannungsdegradation eines Photovoltaik-Moduls, in welches eine Mehrzahl von Solarzellen verbaut sind. Dabei wird der elektrisch leitfähige Kunststoff mit der
Vorderseite, insbesondere dem Front-Abdeckglas, des Photovoltaik-Moduls in Kontakt gebracht bzw. die Coronaentladungen in diesem Bereich aufgebracht. In einer Ausfiihrungsform wird gleichzeitig die Messung einer elektrischen Kenngröße in entsprechender Weise ausgeführt. Auch unter solchen Bedingungen lassen sich Leckströme, Strom-Spannungs-Kennlinien, Parallelwiderstände und dergleichen fertiger Photovoltaik-Module unter der Einwirkung von Hochspannung überraschend einfach und zuverlässig messen.
Figurenbeschreibung
Nachfolgend wird die Erfindung in beispielhafter Weise und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben werden, woraus sich weitere Merkmale, Vorteile und zu lösende Aufgaben ergeben werden. Es zeigen:
Fig. 1 in einem schematischen Querschnitt den Schichtaufbau eines Photovoltaik-Moduls, auf dessen Front-Abdeckglas ein leitfähiger Kunststoff aufgebracht ist, um ein Testverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung auszuführen;
Fig. 2 in einer schematischen Schnittansicht einen Messaufbau zur gleichzeitigen Degradation und Messung einer Mehrzahl von Photovoltaik-Modulen;
Fig. 3 in einer schematischen Darstellung einen Messaufbau zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens; und
Fig. 4 Messkurven, die mit Hilfe des erfindungsgemäßen Verfahrens gewonnen wurden.
Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausfuhrungsbeispielen
Anhand der Fig. 1 wird zunächst der schematische Aufbau eines Photovoltaik-Moduls beschrieben, an welchem das erfindungsgemäße Messverfahren angewendet werden kann. Das Photovoltaik-Modul umfasst eine Mehrzahl von Solarzellen 4, die vorderseitig und rückseitig in einem Einbettungsmaterial 3, 5, beispielsweise EVA, eingebettet sind, um so für eine witterungsfeste hermetische Einkapselung und Isolierung zu sorgen. Zusätzlich ist auf der Rückseite eine Rückseitenfolie 6 in der üblichen Weise vorgesehen. Vorderseitig ist das Photovoltaik-Modul von einer Abdeck-Glasscheibe 2 abgedeckt. Ein derartiger Schichtaufbau ist in der bekannten Weise in einem Rahmen (nicht dargestellt) eingefasst. Gegen die Abdeck-Glasscheibe 2 wird mittels der Druckplatte 7 der leitfähige elastische Kunststoff 1 gedrückt und zwischen Kunststoff 1 und Solarzellen 4 wird eine hohe elektrische Spannung angelegt. In einer weiteren Ausführungsform wird statt der Druckplatte 7 ein zweites Photovoltaik-Modul verwendet, zwischen dessen Zellmatrix und dem Kunststoff 1 ebenfalls eine hohe elektrische Spannung angelegt wird.
Zunächst wird nachfolgend anhand der Fig. 3 der prinzipielle Aufbau einer Messvorrichtung 15 zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, und zwar am Beispiel der Messung der Hochspannungsdegradation einer Solarzelle 4. Diese ist auf einer geerdeten Bodenplatte 16 aufgelegt, die bevorzugt aus einem Edelstahl hergestellt ist. Auf der Bodenplatte 16 liegt die Rückseite der Solarzelle 4 auf. Wie in der Fig. 3 dargestellt, wird auf die Vorderseite der Solarzelle 4 ein elektrisch leitfähiger Kunststoff 1 aufgedrückt. Dieser hat bevorzugt einen Schichtwiderstand (= spezifischer Widerstand/Dicke) im Bereich zwischen und 105 bis 1011 Ω/sq. Die der Solarzelle 4 abgewandte Rückseite des leitfähigen Kunststoffs 1 kann mit einer Metallplatte bzw. Metallisierung (in der Fig. 3 ohne Bezugszeichen dargestellt) versehen sein. Der elastische Kunststoff 1 wird mittels einer Druckplatte 7, bevorzugt aus einem faserverstärkten Kunststoff, gleichmäßig mit Druck beaufschlagt. So kommt es zu einer vollflächigen Anlage des Kunststoffs 1 auf der Oberseite der Solarzelle 4, wobei gleichzeitig ein guter elektrischer Kontakt zwischen Basisplatte 16 und Solarzelle 4 und eine konstante elektrische Potentialdifferenz zwischen der Druckplatte 7 und der Solarzelle 4 erzeugt wird. Genauer gesagt wird die konstante elektrische Potentialdifferenz durch Anlegen einer geeigneten Spannung, bevorzugt einer Hochspannung, an die Metallplatte bzw. Metallisierung erzeugt, wobei die Rückseite der Solarzelle 4 vollflächig auf der geerdeten Bodenplatte 16 aufliegt. Die Druckplatte 7 dient dabei nicht nur einer Druckbeaufschlagung, sondern auch einer Isolation zur Umgebung. Zur Beaufschlagung der Metallplatte bzw. Metallisierung mit der Hochspannung erstreckt sich zumindest eine Hochspannungs-Kontaktelektrode 17 durch die Druckplatte 7 hindurch bis zu der Metallplatte bzw. Metallisierung, die jeweils mit einer Hochspannungsquelle 20 verbunden ist. Die Hochspannungs-Kontaktelektrode 17 ist zweckmäßig in eine isolierende Kontakthülse eingeschraubt. Die Hochspannungs-Kontaktelektrode 17 ist elektrisch gegen die Druckplatte 7 isoliert.
Alternativ kann auch die Basisplatte 16 isoliert ausgeführt werden, so dass an diese die Hochspannung und an den leitfähigen Kunststoff das Erdpotential angelegt werden können. Wie dem Fachmann ohne weiteres ersichtlich sein wird, kann in entsprechender Weise auch eine Spannung an ein zu vermessendes und zu bewertendes Photovoltaik-Modul angelegt werden.
In die Druckplatte 7 ist ferner zumindest eine isolierende Kontakthülse 18 eingeschraubt, in die ein Messkontakt eingesetzt ist, welcher die Vorderseite der Solarzelle 4 berührt, insbesondere eine Vorderseitenmetallisierung der zu bewertenden Solarzelle 4, um die elektrische Kenngröße zu messen. Bevorzugterweise berührt der Messkontakt die Vorderseitenmetallisierung der Solarzelle 4. Bei Rückkontaktsolarzellen ohne Vorderseitenmetallisierung befinden sich alternativ in der Vorrichtung mindestens zwei getrennte Kontakte auf der Rückseite.
Besitzt die Solarzelle 4 keine Vorderseitenmetallisierung, wie es bei Rückkontaktsolarzellen der Fall ist, wird die Bodenplatte aus isolierendem Kunststoff statt aus Edelstahl hergestellt und mit Leiterbahnen und evtl. auch mit Kontaktstiften versehen, so dass die beiden Pole der Solarzelle getrennt kontaktiert werden, um die elektrische Kenngröße zu messen.
Die im Aufbau verwendeten Materialien, insbesondere die verwendeten Kunststoffe, sind für Temperaturen bis zu etwa 130°C ausgelegt, wobei der Plattenabstand zwischen Druckplatte 7 und Basisplatte 16 zwischen 10 und 20 mm einstellbar ist. Die Kontakthülsen 18 sind daher höhenverstellbar ausgelegt. Damit der leitfähige Kunststoff 1 während des Tests nicht seitlich wegrutscht, sind an der Druckplatte 7 Positionierungsmittel, beispielsweise in Form von seitlichen Vorsprüngen, vorgesehen, die den Kunststoff in seiner Position halten.
Wie in der Fig. 3 gezeigt, ist die Basisplatte 16 mit einem Erdungspotential und die Hochspannungs-Kontaktelektrode 17 mit einer Hochspannungsquelle 20 verbunden. Jeder Messpunkt, der über den Messkontakt 18 ausgebildet wird, ist über ein entgegengesetzt angeordnetes Zener-Diodenpaar ZI ...Z40 zum Schutz gegen ungewollte Spannungsspitzen bei der Messung parallel zu dem Messgerät 22, insbesondere einem Digital-Multimeter, geschaltet. Treten Spannungen von beispielsweise größer als 12 V oder kleiner als -12 V während der Messung an den Messkontakten 18 auf, dann bricht das antiseriell angeordnete Zener-Diodenpaar durch und schließt den Stromkreis kurz. Mit Hilfe des Multiplexers 21 können die elektrischen Kenngrößen an einer Mehrzahl von diskreten Messpunkten 18, die den vorgenannten Kontakthülsen entsprechen, sequentiell und in einer vorbestimmten zeitlichen Reihenfolge gemessen werden, indem der jeweilige
Messkontakt 18 zugeschaltet bzw. durchgeschaltet wird. Die Ausgangssignale des Messgeräts 22 werden einer Auswertungseinrichtung 23 übergeben, beispielsweise einem Computer, welcher die gewonnenen Messdaten auswertet und/oder grafisch aufbereitet.
Zur Messung an einzelnen Solarzellen können diese auf der Basisplatte 16 dadurch an vorbestimmten Positionen gehalten werden, dass auf die Vorderseite der Basisplatte verschiedene Testfelder mit standardisierten Größen, beispielsweise vier Zoll mal vier Zoll, fünf Zoll mal fünf Zoll, sechs Zoll mal sechs Zoll, sieben Zoll mal sieben Zoll, eingelassen sind, beispielsweise in Gestalt von Vertiefungen geeigneter Größe in Entsprechung zur Größe der jeweils zu messenden Solarzelle, die insbesondere eingeätzt oder eingraviert sind.
Der gesamte Messbereich einschließlich der Bodenplatte 16, des elektrisch leitfähigen, elastischen Kunststoffs 1 und der Druckplatte 7 kann dabei auch in einer Klimakammer angeordnet sein, in welcher geeignete Umgebungsbedingungen simuliert werden können, insbesondere erhöhte Temperaturen, beispielsweise von 85°C, und/oder eine vorbestimmte relative Luftfeuchtigkeit, beispielsweise von 85 %. Ergänzend oder alternativ kann auch nur der leitfähige Kunststoff 1 und/oder die zu messende Solarzelle bzw. das zu messende Photovoltaik-Modul auf einer vorbestimmten Temperatur gehalten werden, beispielsweise von größer als 40°C.
Für einen Schnelltest wird eine Spannung von bevorzugt einigen hundert Volt, beispielsweise 1000 V, zwischen dem leitfähigen Kunststoff 1 und der zu testenden Solarzelle bzw. dem zu testenden Photovoltaik-Modul angelegt. Wiederholend in gewissen Zeitabständen wird das Modul bzw. Solarzelle von der Spannung getrennt und die elektrische Kenngröße bestimmt, insbesondere eine Strom-Spannungs-Kennlinie (IU, Dunkelkennlinie und/oder Hellkennlinie und/oder der Parallelwiderstand. Alternativ können die elektrischen Kenngrößen auch ohne Unterbrechung der Hochspannung gemessen werden. Es sei angemerkt, dass grundsätzlich auch höhere Spannungen angelegt werden können, als vorstehend ausgeführt, insbesondere Spannungen von bis zu 6.500 V.
Die Fig. 4 zeigt beispielhafte Messkurven für acht Solarzellen, die über einen Zeitraum von 1350 min wiederholt gemessen wurden. Aufgetragen ist in der Fig. 4 der jeweilige Parallelwiderstand über die Zeit. Man erkennt, dass einige Zellen bereits nach kurzer Zeit degradiert sind und somit für die Weiterverwendung zum Einbau in ein Photovoltaik- Modul nicht geeignet sind.
Wie man anhand der Fig. 4 ohne weiteres erkennen kann, können Solarzellen aussagekräftig innerhalb vergleichsweise kurzer Zeiträume, beispielsweise über Nacht oder einen Werktag, beurteilt und ggf. aussortiert werden, beispielsweise dann, wenn die gemessene elektrische Kenngröße oder eine daraus abgeleitete Größe nicht innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt oder einen vorbestimmten Schwellenwert unter- oder überschreitet.
Zur Sicherstellung eines reproduzierbaren Ergebnisses sollte der Druck des leitfähigen und elastischen Kunststoffs gegen die Glasoberfläche von Photovoltaik-Modulen reproduzierbar und konstant eingestellt werden. Dazu kann beispielsweise die in der Fig. 2 dargestellte Spannvorrichtung verwendet werden, bei der eine Mehrzahl von Photovoltaik-Modulen 8 unter Zwischenschaltung einer jeweiligen leitfähigen Kunststoffschicht 1 entlang von Führungsstangen 10 eingespannt sind. Zwischen jeweils zwei Paaren von Photovoltaik- Modulen 8 ist seitlich ein die Führungsstangen 10 umschließender Abstandshalter 9 angeordnet, so dass die Photovoltaik-Module 8 paarweise und unter Zwischenschaltung des leitfähigen Kunststoffs 1 mit einem gleichmäßigen Druck beaufschlagt werden können. Bei dieser Spannvorrichtung muss auf die seitlichen Gleitelemente 11 ein gleichmäßiger Druck aufgebracht werden, was beispielsweise durch eine abschließende Deckelplatte (nicht gezeigt) einfach realisiert werden kann. Wie durch den Doppelpfeil angedeutet, kann mit dieser Spannvorrichtung eine variable Spannbreite bei vorbestimmtem Spanndruck realisiert werden. Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist auf eine Messvorrichtung zum Durchführen des vorgenannten Mess- bzw. Bewertungsverfahrens gerichtet, wie diese beispielhaft in der Fig. 3 dargestellt ist.
Ein weiterer wichtiger Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung ist ferner auf ein Verfahren zur Herstellung von Solarzellen oder Photovoltaik-Modulen mit mehreren solcher Solarzellen unter Verwendung des vorgenannten Mess- bzw. Bewertungsverfahrens gerichtet.
Hierzu werden zunächst Solarzellen mittels eines geeigneten Herstellungsverfahrens ausgebildet. Anschließend werden die Solarzellen einzeln oder in Gruppen mittels der in der Fig. 1 dargestellten Messvorrichtung bewertet. Bei einem solchen Verfahren werden nur solche Solarzellen weiterverwendet, also beispielsweise gebrauchsfertig verpackt oder zu Photovoltaik-Modulen weiter verarbeitet, für die die gemessene elektrische Kenngröße ein vorbestimmtes Kriterium erfüllt.
Bei einem Verfahren zur Herstellung von Photovoltaik-Modulen können zunächst auch die Photovoltaik-Module mittels eines geeigneten Herstellungsverfahrens ausgebildet werden. Anschließend werden die Photovoltaik-Module jeweils mittels der in der Fig. 1 dargestellten Messvorrichtung bewertet. Bei einem solchen Verfahren werden nur solche Photovoltaik-Module weiterverwendet, also beispielsweise gebrauchsfertig verpackt fertig konfektioniert, für die die gemessene elektrische Kenngröße ein vorbestimmtes Kriterium erfüllt.
Wenngleich vorstehend ausgeführt wurde, dass der leitfähige Kunststoff bzw. die Coronaentladung auf die Vorderseite der Solarzelle oder des Photovoltaik-Moduls aufgedrückt bzw. aufgebracht wird, wird dem Fachmann beim Studium der vorstehenden Beschreibung ersichtlich sein, dass insbesondere für Solarzellen und Photovoltaik-Module, nämlich solche mit beidseitiger Lichtempfindlichkeit, der leitfähige Kunststoff bzw. die Coronaentladung auch auf die Rückseite der Solarzelle oder des Photovoltaik-Moduls aufgedrückt bzw. aufgebracht werden kann. Wie dem Fachmann beim Studium der vorstehenden Beschreibung ohne weiteres ersichtlich sein wird, kann das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur zum Schnelltest von einzelnen oder mehreren Solarzellen, sondern auch von ganzen Photovoltaik-Modulen eingesetzt werden. Insgesamt können so innerhalb relativ kurzer Zeit aussagekräftige Kenngrößen zuverlässig abgeleitet werden, wobei das Aufbringen von Flüssigkeiten oder Lack auf die Moduloberfläche nicht nötig ist. Bei Solarzelle werden insbesondere keine isolierenden Schichten auf der Oberfläche der Solarzellen beschädigt oder entfernt, insbesondere auch keine Antireflexschichten. Das vorstehend offenbarte Testverfahren eignet sich für eine vollautomatische Testprozedur und Auswertung. Aufgrund der Testergebnisse können einzelne Solarzellen oder Photovoltaik-Module aussortiert werden (beispielsweise dann, wenn die gemessene elektrische Kenngröße oder eine daraus abgeleitete Größe nicht innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt oder einen vorbestimmten Schwellenwert unter- oder überschreitet) oder können diese einer weiteren Nachbehandlung unterzogen werden, solange bis die gewünschte elektrische Kenngröße eingestellt ist. Ein besonderer Vorteil ist, dass das erfindungsgemäße Verfahren auch auf Zellebene rasch ausgeführt werden kann, wobei die durchgetesteten Solarzellen dann ohne weitere aufwändige Aufbereitung zu einem Photovoltaik-Modul unmittelbar weiterverarbeitet werden können.
Bezugszeichenliste
1 Leitfähiger Kunststoff
2 Glas
3 Einbettungsmaterial auf Zellvorderseite
4 Solarzellen
5 Einbettungsmaterial auf Zellrückseite
6 Rückseitenfolie
7 Druckplatte
8 Photovoltaik-Modul
9 Abstandshalter
10 Führungsstange
11 Gleitelement
15 Messvorrichtung
16 Basisplatte
17 Hochspannungs-Kontaktelektrode
18 Messkontakt
20 Hochspannungsquelle
21 Multiplexer
22 Messgerät (Digitalmultimeter oder 4-Quadranten-Quelle)
23 Auswertungseinrichtung (Computer)

Claims

Patentansprüche
Verfahren zur Messung der Hochspannungsdegradation (PID) von zumindest einer Solarzelle oder eines Photovoltaik-Moduls, dadurch gekennzeichnet, dass ein leitfähiger Kunststoff (1) auf eine Ober- oder Unterseite, insbesondere auf die Vorderseite, der jeweiligen Solarzelle (4) oder des Photovoltaik-Moduls (8) gedrückt wird und eine elektrische Spannung zwischen leitfähigem Kunststoff (1) und der jeweiligen Solarzelle (4) oder der Solarzell-Matrix im Photovoltaik- Modul angelegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 , wobei die elektrische Spannung eine Gleichspannung ist.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Gleichspannung zwischen dem leitfähigen Kunststoff (1) und der jeweiligen Solarzelle oder der Solarzell-Matrix im Photo voltaik-Modul größer als 50 V ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der leitfahige Kunststoff (1) elastisch ist, um sich der Oberfläche der Solarzelle (4) oder des Photovoltaik-Moduls (8) anzupassen.
Verfahren nach Anspruch 4, wobei die Stauchhärte 40 % nach DIN EN ISO 3386 des leitfähigen Kunststoffs (1) im Bereich zwischen 1,5 und 60 kPa liegt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der leitfähige Kunststoff (1) ein auf Styrol- oder Polyurethanbasis hergestellter Kunststoff oder ein geschäumter Kunststoff ist, beispielsweise ein Schaumstoff, hergestellt insbesondere auch unter inerten Gasatmosphären, insbesondere Edelgasatmosphären.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der leitfähige Kunststoff (1) ein leitfähiger Gummi oder Silikon ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der leitfähige Kunststoff (1) nicht klebt, insbesondere nicht an der Solarzelle oder dem Photovoltaik-Modul anhaftet.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der leitfähige Kunststoff (1) mit einem vorbestimmten und gleichmäßig über die Fläche der jeweiligen Solarzelle oder die Ober- oder Unterseite, insbesondere die Vorderseite, des Photovoltaik-Moduls verteilten Druck beaufschlagt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druck des leitfähigen Kunststoffs (1) gegen die jeweilige Solarzelle oder gegen das Photovoltaik-Modul größer als 0,3 kPa ist.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Druck des leitfähigen Kunststoffs (1) gegen die jeweilige Solarzelle oder gegen das Photovoltaik-Modul mittels einer Platte (7) über die Fläche der jeweiligen Solarzelle oder des Photovoltaik-Moduls vergleichmäßigt wird.
12. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Platte (7) elektrisch isolierend ist und die elektrische Spannung von einer Hochspannungsquelle (20) mittels zumindest einer Elektrode (17) an eine der Ober- oder Unterseite, insbesondere der Vorderseite, der jeweiligen Solarzelle oder des Photovoltaik-Moduls abgewandte
Seite des leitfahigen Kunststoffs (1) angelegt wird.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Kenngröße mittels einer Messelektrode (18) gemessen wird, die mittels einer isolierenden Hülse, insbesondere einer Kunststoffhülse, den leitfahigen Kunststoff
(1) durchgreift und die Ober- oder Unterseite, insbesondere die Vorderseite, der jeweiligen Solarzelle oder des Photovoltaik-Moduls kontaktiert.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schichtwiderstand des leitfähigen Kunststoffs (1) im Bereich von 105 bis 1011 Ω/sq liegt.
15. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei zur Messung der Hochspannungsdegradation mindestens eine elektrische Kenngröße der jeweiligen Solarzelle (4) oder eines Photovoltaik-Moduls (8) wiederholt in zeitlichen Abständen gemessen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die elektrische Kenngröße der jeweiligen Solarzelle gemessen wird, während der leitfähige Kunststoff (1) auf die Ober- oder Unterseite, insbesondere die Vorderseite, der jeweiligen Solarzelle (4) oder des Photovoltaik-Moduls (8) aufgedrückt wird und die elektrische Spannung angelegt wird. 17. Verfahren nach Anspruch 15, wobei die elektrische Kenngröße der jeweiligen
Solarzelle (4) oder des Photovoltaik-Moduls (8) gemessen wird, während der leitfähige Kunststoff (1) auf die Ober- oder Unterseite, insbesondere die Vorderseite, der jeweiligen Solarzelle oder des Photovoltaik-Moduls aufgedrückt wird und die elektrische Spannung zwischen dem leitfähigem Kunststoff (1) und der Solarzelle (4) oder zwischen dem leitfähigem Kunststoff (1) und der Solarzell-
Matrix im Photovoltaik-Modul vorübergehend abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Hochspannungsdegradation einer Mehrzahl von Solarzellen (4) gemessen wird, wobei die elektrische Kenngröße der Mehrzahl von Solarzellen sequenziell gemessen wird, indem die Solarzellen in einer vorbestimmten Reihenfolge mittels eines Multiplexers (21) in vorbestimmten Zeitabständen zugeschaltet werden.
Verfahren zur Messung der Hochspannungsdegradation von Solarzellen (4) nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei jedem Messkontakt (18) zum Messen der elektrische Kenngröße ein entgegengesetzt angeordnetes Zener-Diodenpaar (Z) zugeordnet ist.
20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, wobei die elektrische Kenngröße eine Spannungs-Strom-Kennlinie (UI) und/oder ein Parallelwiderstand (Rshum) der jeweiligen Solarzelle ist. 21. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Temperatur der jeweiligen Solarzelle oder des Photovoltaik-Moduls und/oder des leitfähigen Kunststoffs (1) auf oberhalb von 40°C und bevorzugt auf 85°C eingestellt wird.
22. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei weiterhin die Luftfeuchtigkeit und/oder Temperatur einer Umgebung, der die zumindest eine
Solarzelle oder das Photovoltaik-Modul ausgesetzt ist, auf einen vorbestimmten Wert oder zeitlichen Verlauf eingestellt wird.
23. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Solarzelle eine Rückkontaktsolarzelle ist und die elektrische Kenngröße mittels einer isolierenden
Bodenplatte gemessen wird, auf der lokale Kontaktflächen aufgebracht sind oder in der sich Kontaktstifte befinden, die die Minus- und Pluspole der jeweiligen Solarzelle getrennt kontaktieren. 24. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen kristalline Siliziumsolarzellen sind.
25. Verfahren zur Messung der Hochspannungsdegradation von zumindest einer Solarzelle (4) oder eines Photovoltaik-Moduls (8), dadurch gekennzeichnet, dass Coronaladungen auf die Solarzellen oder das Photovoltaik-Modul aufgebracht werden.
26. Verfahren nach Anspruch 25, wobei zur Messung der Hochspannungsdegradation mindestens eine elektrische Kenngröße der jeweiligen Solarzelle (4) oder des Photovoltaik-Moduls (8) wiederholt in zeitlichen Abständen gemessen wird.
27. Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, wobei die elektrische Kenngröße der jeweiligen Solarzelle oder des Photovoltaik-Moduls (8) gemessen wird, während die Coronaladungen auf die Solarzellen oder das Photovoltaik-Modul aufgebracht werden.
Verfahren nach Anspruch 26, wobei die elektrische Kenngröße der jeweiligen Solarzelle (4) oder des Photovoltaik-Moduls (8) gemessen wird, während die Coronaladung vorübergehend abgeschaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, wobei die Hochspannungsdegradation einer Mehrzahl von Solarzellen (4) gemessen wird, wobei die elektrische Kenngröße der Mehrzahl von Solarzellen sequenziell gemessen wird, indem die Solarzellen in einer vorbestimmten Reihenfolge mittels eines Multiplexers (21) in vorbestimmten Zeitabständen zugeschaltet werden.
Verfahren zur Messung der Hochspannungsdegradation von Solarzellen (4) nach einem der Ansprüche 25 bis 29, wobei jedem Messkontakt (18) zum Messen der elektrische Kenngröße ein entgegengesetzt angeordnetes Zener-Diodenpaar (Z) zugeordnet ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 30, wobei die elektrische Kenngröße eine Spannungs-Strom-Kennlinie (UI) und/oder ein Parallelwiderstand (Rshunt) der jeweiligen Solarzelle ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 31, wobei die Temperatur der jeweiligen Solarzelle oder des Photovoltaik-Moduls auf oberhalb von 40°C und bevorzugt auf 85°C eingestellt wird.
33. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 33, wobei weiterhin die Luftfeuchtigkeit und/oder Temperatur einer Umgebung, der die zumindest eine Solarzelle oder das Photovoltaik-Modul ausgesetzt ist, auf einem vorbestimmten Wert oder zeitlichen Verlauf eingestellt wird.
34. Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 34, wobei die Solarzelle eine Rückkontaktsolarzelle ist und die elektrische Kenngröße mittels einer isolierenden Bodenplatte gemessen wird, auf der lokale Kontaktflächen aufgebracht sind oder in der sich Kontaktstifte befinden, die die Minus- und Pluspole der jeweiligen Solarzelle getrennt kontaktieren.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 34, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen kristalline Siliziumsolarzellen sind.
36. Verwendung des Verfahrens nach einem der vorhergehenden Ansprüche bei der Herstellung von Solarzellen oder eines Photovoltaik-Moduls, das eine Mehrzahl von Solarzellen umfasst, um eine elektrische Kenngröße der Solarzelle oder von zumindest einer Solarzelle der Mehrzahl von Solarzellen des Photovoltaik-Moduls zu messen, die in das Photovoltaik-Modul verbaut werden soll oder sollen, wobei die jeweilige Solarzelle dann aussortiert bzw. nicht weiter verwendet wird oder dann nicht zur Herstellung des Photovoltaik-Moduls verwendet wird, wenn die gemessene elektrische Kenngröße ein vorbestimmtes Kriterium nicht erfüllt.
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