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UV-Fluoreszenz als Charakterisierungstool für PV-Module im Freifeld

Ein Pho­to­volt­aik-Sys­tem sollte Strom für min­des­tens 20 Jahre pro­du­zie­ren. Bei Prob­le­men mit dem Sys­tem wird typi­scher­weise ein Wär­me­bild­auf­nahme erstellt, um Feh­ler zu fin­den. All­er­dings ist die Wär­me­bild­me­thode bzgl. der Wet­ter­be­din­gun­gen ein­ge­schränkt und Zell­risse sind nur in beson­de­ren Fäl­len zu erken­nen. Dies ist der Grund, warum wir eine neue Methode für Zell­ris­sprü­fung auf­ge­baut haben, die wit­te­rungs­un­ab­hän­gig, kos­ten­güns­tig und schnell ist.

Wir nut­zen den Flu­o­res­zenz-Effekt des Lami­na­ti­ons­ma­te­rial der PV-Module, um Zell­risse, geris­sene Ver­bin­der und Hot Spots in Wafer-basier­ten Solar­zel­len zu erken­nen. Hierzu wer­den die PV-Module ein­zeln mit Schwarz­licht bestrahlt und das Flu­o­res­zenz­licht ins­ge­samt 10 Sekunden lang pro Modul von einer Kamera gemes­sen. Die Mes­sung wird in der Dun­kel­heit durch­ge­führt. Diese neue mobile Anwen­dung der Flu­o­res­zenz-Methode ermög­licht eine berüh­rungs­lose und schnelle Ana­lyse von Modul­män­geln im Be­trieb.

Die UV-Flu­o­res­zenz von Ethy­len Vinyl Ace­tat (EVA) wurde zum ers­ten Mal von Pern et al. 1996 ver­wen­det, um das Ver­gil­ben von PV-Mo­du­len zu ana­ly­sie­ren. Auf­grund der Son­nen­licht-Expo­si­tion von EVA bricht ins­be­son­dere der UV-Anteil des Spek­trums Mole­küle in der Lami­na­ti­ons­fo­lie auf, sodass im EVA Chrom­ophore ent­ste­hen. Eine Kor­re­la­tion zwi­schen Struk­tu­ren in UV-Flu­o­res­zenz­bil­dern und Zell­ris­sen wurde von Schlothauer et al. zum ers­ten Mal 2010 ver­öf­fent­licht.

Abb. 26: Vergleich eines am ISFH aufgenommenen Elektrolumineszenz-Bildes (links) und eines Fluoreszenz-Bildes (rechts). Beide Bilder zeigen den gleichen Teil eines PV-Moduls mit gerissenen Solarzellen.

Pern hat gezeigt, dass die flu­o­res­zie­ren­den Abbau­pro­dukte in der EVA-Folie Poly­ene sind, die auf­grund von UV-indu­zier­ten Struk­tur­verän­de­run­gen in den Poly­mer­ket­ten des EVA ent­ste­hen. Andere Zusätze im EVA kön­nen eben­falls zur UV-Flu­o­res­zenz bei­tra­gen, aber die­ser Pro­zess ist noch nicht in allen Ein­zel­hei­ten bekannt. Wo Sau­erstoff vor­han­den ist, wan­deln sich die flu­o­res­zie­ren­den Abbau­pro­dukte durch einen Foto­oxi­da­ti­ons­pro­zess in nicht flu­o­res­zie­rende Pro­dukte um. Ent­lang der Rän­der und Brü­chen in So­lar­zel­len kann Sau­erstoff in das Modul ein­dif­fun­die­ren und der Foto­oxi­da­ti­ons­pro­zess kon­kur­riert mit der Pho­to­de­gra­da­tion. Die­ser Pro­zess mar­kiert die Zel­len­kante und Zell­risse mit einer nicht flu­o­res­zie­ren­den Spur. Abb. 26 zeigt die Ver­än­de­rung in der Flu­o­res­zenz von EVA im Ver­gleich zu einem Elekt­ro­lu­mi­nes­zenz­bild, in dem Zell­risse sicht­bar sind. Die Zell­risse sind im Flu­o­res­zenz­bild erheb­lich deut­li­cher erkenn­bar als im Elekt­ro­lu­mi­nes­zenz­bild. Wir nut­zen die­sen Effekt, um die Anzahl, Posi­tion und Aus­rich­tung der Zell­risse in PV-Modu­len zu bestim­men. Darü­ber hinaus nimmt die Flu­o­res­zenz im Laufe der Zeit zu, dann näm­lich, wenn Teile des PV-Moduls hei­ßer sind als unter übli­chen Bedin­gun­gen. Dies ermög­licht zusätz­lich das Erken­nen von Feh­lern wie Hot Spots oder unter­bro­chene Zell­ver­bin­der­bänd­chen. Abb. 27 zeigt einen Teil eines PV-Moduls mit gebro­che­nem Zel­len­ver­bin­der ein­mal mit dem Elekt­ro­lu­mi­nes­zenz­ver­fah­ren und ein­mal mit dem Flu­o­res­zenz­ver­fah­ren auf­ge­nom­men. Um die UV-Flu­o­res­zenz im Freien zuver­läs­sig und mit gerin­gem Auf­wand zu bestim­men, soll­ten die PV-Module für min­des­tens ein­ein­halb Jahre im Freien bewit­tert wor­den sein.

Wie bereits erwähnt, benö­tigt die Pho­too­xi­da­tion Zeit für den Auf­bau einer nicht flu­o­res­zie­ren­den Spur ent­lang von Zell­ris­sen. Die­ser Effekt kann aus­ge­nutzt wer­den, um zwi­schen fri­schen und alten Zell­ris­sen zu unter­schei­den. Dies ist zum Bei­spiel nütz­lich, um zu klä­ren, ob ein Zell­riss erst kürz­lich durch einen Hagel­schlag entstan­den ist oder durch län­ger andau­ern­den mecha­ni­schen Stress ver­ur­sacht wurde. Für diese Art von Test muss eine Elekt­ro­lu­mi­nes­zenz-Mes­sung und eine Flu­o­res­zenz-Mes­sung mit­ei­nan­der ver­gli­chen wer­den.

Die Flu­o­res­zenz-Mes­sung ist ein ein­fa­ches, zuver­läs­si­ges und mäch­ti­ges Werk­zeug zur Qua­li­täts­kon­trolle von PV-Mo­dulen.


Abb. 27: Vergleich eines am ISFH aufgenommenen Elektrolumineszenz-Bildes (links) und eines Fluoreszenz-Bildes (rechts). Beide Bilder zeigen den gleichen Teil eines PV-Moduls mit einem unterbrochenen Zellverbinder in der rechten unteren Solarzelle.

Vergleich eines bei 7A aufgenommenen Elektrolumineszenz-Bildes und eines Fluoreszenz-Bildes. Beide Bilder zeigen den gleichen Teil eines PV-Moduls mit einem unterbrochenen Zellverbinder in der rechten unteren Solarzelle. Vergleich eines bei 7A aufgenommenen Elektrolumineszenz-Bildes und eines Fluoreszenz-Bildes. Beide Bilder zeigen den gleichen Teil eines PV-Moduls mit einem unterbrochenen Zellverbinder in der rechten unteren Solarzelle.

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