Projektdaten

Kurzfassung des Vorhabens

Photovoltaikmodule sind während ihrer Lebensdauer von 20 Jahren ununterbrochen der freien Witterung ausgesetzt. Neben der UV-Strahlung führen Temperaturwechsel, Feuchtigkeit und Wind, Schnee und Extremwetterlagen zu einer starken Beanspruchung der einzelnen Komponenten in einem Photovoltaikmodul. Speziell im Bezug auf die Modulalterung bietet das in.RET Alterungs- und Belastungstests an, um die Eignung für den Langzeitbetrieb vor der Produkteinführung zu überprüfen. Des Weiteren können Tests zur Analyse von Schäden die während des Betriebs auftreten durchgeführt werden. Standardtests gemäß der Bauarteignung und Bauartzertifizierung von Photovoltaikmodulen nach IEC 61215, IEC 61646 und IEC 61730 können ebenso durchgeführt werden speziell an die Kundenbedürfnisse angepasst Analysen von Belastungsszenarios und Schadensbildern.

Versuchsaufbauten können schnell und unkompliziert in den Laboren der in.RET realisiert werden. Im Folgenden finden sie eine kleine Auswahl der Untersuchungsmöglichkeiten:

Klimakammertests: 

In der Klimakammer (Temperaturbereich: -60 °C…+100 °C; rH: 0%…95%, UV-Bestrahlung: bis zu 250W/m²) können Module unter reproduzierbaren Bedingungen beschleunigten Alterungstests unterzogen werden. Hier sind auch individuelle Testvariationen möglich, wie zum Beispiel die durchführung von Bias-Damp-Heat Tests zur Untersuchung von potentialinduzierter Degradation (PID) an kristallinen Photovoltaikmodulen oder TCO-Korrosion von Dünnschichtphotovoltaikmodulen. Durch Anlegen einer Spannung von bis zu 2000V zwischen Frontglas und den kurzgeschlossenen Verbindungsleitungen des Moduls wird ein negatives Potential aufgebaut. Im Zusammenspiel mit Temperaturen von 85 °C und einer hohen relativen Luftfeuchtigkeit wird eine beschleunigte Diffusion von Na⁺-Ionen aus dem Frontglas in Richtung der Solarzellen hervorgerufen.

Sonnensimulator: 

Zur Verbesserung der Qualität von Forschung und Lehre wurde 2011 ein Dauerlicht-Sonnensimulator am in.RET beschafft und in Betrieb genommen. Mit Hilfe des Sonnensimulators können PV-Module mit einer konstanten Bestrahlung von 200 bis 1200 W/m² und einer einstellbaren Temperatur getestet werden. Das Spektrum der künstlichen Sonnenstrahlung entspricht dem Standardspektrum AM1,5, wobei der Sonnensimulator die Klassen BBA erfüllt. Der Sonnensimulator wird zur Durchführung von Hot-Spot-Tests und zur Untersuchung von Alterungseffekten eingesetzt.

Die Ermittlung der Nennleistung unter Standardtestbedingungen erfolgt mit Hilfe eines Klasse AAA Flashers. Die damit gemessene Strom-Spannungs-Kennlinie unter STC-Bedingungen dient der Ermittlung von Minderleistungen und ermöglicht die Ermittlung einzelner Modellparameter zur Analyse von Alterungsmechanismen.

Hot-Spot-Tests: 

Während der langen Nutzungsdauer von 20 Jahren werden PV-Module aufgrund von Pflanzen, Gebäuden oder der Photovoltaikanlage selbst immer wieder vollständig oder partiell beschattet. Wird eine Zelle abgeschattet, so wird diese im Sperrbereich betrieben und es kann bei Überschreiten der Durchbruchspannung zur Zerstörung der Zelle kommen. Ferner können aufgrund der Abschattung lokale Temperaturerhöhungen, sogenannte Hot-Spots, auftreten. Durch Hot-Spots besteht die Gefahr der Delamination und der thermischen Überlastung der Zelle. Um der Zerstörung der Zelle entgegenzuwirken, müssen von Herstellern entsprechende Schutzmaßnahmen ergriffen werden.

Während der Tests im Sonnensimulator wird die Temperaturverteilung aufgenommen und analysiert. Daraus können fehlerhafte Kontaktstellen, fehlerhafte Zellen und Hot-Spots aufgespürt werden. Weiterhin wurden zur Bewertung der Modulleistung die Strom-Spannungs-Kennlinien sowohl vor als auch nach den Hot-Spot-Tests ermittelt. Desweiteren dienen die Tests der Überprüfung und Anpassung  von Schutzmaßnahmen gegen diesen Effekt.

Rückstromtests: 

Rückströme können bei der Parallelschaltung von mehreren in Reihe geschalteten PV-Modulen auftreten. In diesem Fall fließt der Strom in Durchlassrichtung und das PV-Modul arbeitet als elektrischer Verbraucher. Dadurch können je nach Stromstärke hohe thermische Belastungen auftreten, die zu Delamination und zur Zerstörung der Zellen führen können. Weiterhin kann aufgrund von mechanischen Spannungen, hervorgerufen durch Temperaturunterschiede im PV-Modul, das Glas brechen. Die auftretenden hohen Temperaturen und ggf. durch Glas- und Zellbrüche entstehenden Lichtbögen können zu Bränden führen. Daher ist das vornehmliche Ziel dieser Tests der Schutz von Mensch und Umwelt.

Um einen möglichst wirtschaftlichen Betrieb von PV-Anlagen zu gewährleisten, wird in Folge der Tests eine maximale Rückstrombelastbarkeit ermittelt, anhand deren eine maximale Strangsicherungszahl bestimmt werden kann. Das auftretende Temperaturprofil wird während der Testdauer mit einer Infrarotkamera aufgezeichnet und analysiert. Anhand der Aufnahmen können Rückschlüsse sowohl auf Fehler in der Kontaktierung der einzelnen Zellen als auch auf Fehler in den Zellen selbst geschlossen werden.

Elektrolumineszenz: 

Durch die Absorption von Photonen wandeln Solarzellen Strahlungsenergie in elektrische Energie. Wird eine elektrische Spannung größer der Leerlaufspannung an eine Solarzelle oder ein Photovoltaikmodul angelegt, kehrt sich der Prozess der Absorption um. Im nahen Infrarotbereich emittieren die Solarzellen Photonen im nichtsichtbaren Bereich. Mit Hilfe spezieller Kameras können diese Emissionen aufgenommen werden. Anhand der Intensität der ausgesendeten Photonen können effiziente von ineffizienten Bereichen der Solarzelle lokalisiert sowie Mikrorisse und Zellbrüche erkannt werden. Elektrolumineszenzbilder sind insbesondere im Bereich beschleunigter Alterungstests zur Feststellung beginnender, optisch nicht wahrnehmbarer Degradationserscheinungen von großer Bedeutung. Dem Institut steht ein Messplatz zur Untersuchungen von Solarzellen und Photovoltaikmodulen zur Verfügung.