PV Ingenieurbüro Blog ; EL Outdoormessung mit Rückstrom

von Mathias Leske

Zwei Jahre ist es nun fast her, dass wir zum ersten mal selbst Elektrolumineszenzaufnahmen von Photovoltaikmodulen gemacht haben, ohne die Module vorher aus den Anlagen auszubauen. Während damals unter Fachleuten noch die Überzeugung vorherrschte, man könne diese Untersuchungen nur bei absoluter Dunkelheit in einem Labor durchführen, hatten wir bereits in ersten Versuchen gezeigt, dass es sehr wohl auch möglich war aussagekräftige Aufnahmen im Freien zu machen. In diesem Artikel möchte ich mal einen Überblick geben, wie sich die Untersuchungsmethode inzwischen entwickelt hat.

Nach der Fertigstellung unseres Spezialnetzteils pvServe zur Rückbestromung von Solargeneratoren lag es nahe, neben der Rückstromthermographie auch einmal den Versuch zu unternehmen nachts aktiv zu werden und eine Elektrolumineszenzaufnahme (EL) zu machen.  Standard EL-Kameras arbeiten mit speziellen InGaAs (Indium Gallium Arsenid) Sensoren, deren Empfindlichkeit optimal zu der Emission von kristallinen Solarzellen bei etwa 1100nm passt. Leider sind diese Kameras in erster Linie für den industriellen Einsatz,  zur festen Installation in Zellfertigungen oder bei Modulherstellern konzipiert. Will man solche Kameras mit auf’s Dach nehmen, muss auch immer ein Notebook mit dabei sein, da die Kameras nicht über ein eigenes Display verfügen. Das waren natürlich keine guten Voraussetzungen für das Aufnehmen von Photovoltaikanlagen. Hinzu kam noch der exorbitant hohe Preis dieser Kameras, der sich jenseits von 15.000.-€ bewegt.
Die Lösung brachte eine Idee, von der ich bereits einige Jahre vorher mal gehört hatte: Der Umbau einer handelsüblichen DSLR (digitale Spiegelreflex Kamera). Diese Kameras haben zwar einen Sensor, der eigentlich für das sichtbare Spektrum der elektromagnetischen Strahlung ausgelegt ist, mit einer kleinen Modifikation lassen sich die Kameras aber so umbauen, dass man auch im nahen Infrarotbereich noch eine gute Empfindlichkeit erhält. Kombiniert man diese Kamera dann noch mit einem speziell für den Nahinfrarotbereich geeigneten und sehr lichtstarken Objektiv, so hat man eine vergleichsweise günstige EL-Kamera zur Untersuchung von PV-Anlagen. Einziger kleiner Nachteil gegenüber der teureren Variante ist die Notwendigkeit eines Stativs bei der Aufnahme, da die Belichtungszeit bei einigen Sekunden liegt und ansonsten ein Verwackeln der Aufnahme droht.
Nachdem das erste Jahr in dem wir EL-Untersuchungen durchgeführt haben in erster Linie dem praktischen Erproben der Technik gedient hat, hat sich die Elektrolumineszenz inzwischen zu einem festen und immer öfter genutzten Baustein unserer Fehleranalyse an PV-Anlagen gemausert.
Außerdem bieten wir für interessierte Solarteure und Gutachter inzwischen Komplettsets bestehend aus dem pvServe und einem Kameraset inkl. sämtlichem Zubehör an. Mit dem Set und einer kleinen Schulung von uns, kann man dann sofort loslegen und eigene EL-Aufnahmen machen.

Nachfolgend möchte ich noch exemplarisch ein paar Aufnahmen aus unserem öffentlichen Webalbum zeigen und die Fotos kurz beschreiben.

Elektrolumineszenzaufnahme eines Solarmoduls vom Typ BP 3155 mit Mikrocracks
Das Fotos zeigt das Bild eines Solarmoduls vom Typ BP 3155, das auf einem Demodach montiert ist und schon sehr oft überklettert wurde. Man erkennt deutlich sehr viele Zellrisse und teilweise sogar partielle Zellabrisse.(optisch inaktive schwarze Stellen auf dem Modul)

Elektrolumineszenzaufnahme eines Solarmoduls mit defekter Bypassdiode
Das Bild zeigt einen Solargenerator, an dem bei einem Solarmodul eine Bypassdiode defekt ist. Die Diode macht einen Kurzschluss über ein Drittel des Moduls, das in Folge dessen keine IR Strahlung mehr emittiert.

Solarmodul mit rückseitenkontaktierten Solarzellen von Sunpower, mit einer defekten Solarzelle
Dieses Bild zeigt eine Solarmodul mit rückseitenkontaktierten Solarzellen von Sunpower von denen eine Zelle auf der Rückseite kurzgeschlosssen ist. In Folge dessen ist die Zelle stromlos und emittiert keine IR Strahlung. Auffallend ist, dass Sunpowermodule nicht nur einen sehr guten Wirkungsgrad bei der Wandlung von Licht in elektrische Energie haben, sondern dass diese Effizienz auf umgekehrt gilt. Die Aufnahme wurde in etwa mit einem Drittel des Rückstromes gemacht wie die Fotos der polykristallinen Zellen oben.

Elektrolumineszenzaufnahme eines Solarziegels von Braas
Das Bild zeigt eine EL-Aufnahme einer Indachanlage mit Braas Solarziegeln. Auf der Aufnahme kann man deutlich einige Zellen erkennen, bei denen einer der beiden Zellverbinder hochohmig geworden ist. Die Stromdichte ist daher in der einen Zellhälfte deutlich niedriger, so dass dort dann auch eine niedrigere IR Emission stattfindet. In der oberen Zellreihe ist bei einer Zelle dann auch der zweite Zellverbinder fast vollständig von der Zelle abgelöst. An der verbleibenden Verbindung kommt es zu einer sehr hohen Stromdichte (heller Fleck). Auf einer Thermographieaufnahme ist dieser Fleck als HotSpot zu erkennen.

Elektrolumineszenzaufnahme zweier First Solar Dünnschichtmodule
Dieses Bild zeigt die Elektrolumineszenzaufnahme zweier CdTd Module von First Solar im Labor.

EL- Aufnahme eines chinesischen Moduls mit Schneckenspuren
Diese Aufnahme zeigt ein Modul bei dem am Tag sogenannte Schneckenspuren zu sehen sind. Die Elektrolumineszenz Aufnahme zeigt die Mikrohaarrisse, die sich hinter den Spuren verbergen. Außerdem erkennt man sogenannte Panzerkettenspuren, die vom Transport der Waver während der Zellherstellung herrühren, sowie einen kleinen partiellen Zellabriss. Deutlich erkennbar ist auf dieser Nahaufnahme auch die Rückseitenkontaktierung der Solarzellen. Bei der Elektrolumineszenzuntersuchung schaut man quasi durch die Zellen hindurch, da Silizium in diesem Spektralbereich transparent ist. Lediglich die Rückseite der Zelle ist undurchsichtig. Diese "Backsurface" soll ja auch dafür sorgen möglichst viel der tagsüber eingefangenen Strahlung wieder in die Zelle zu reflektieren.

Dunkle Solarzellen in der Nähe des Modulrahmens deuten auf PID hin
Dunkle Solarzellen in der Nähe des Modulrahmens deuten auf PID (Potenzial induzierte Degradation) hin. Insbesondere wenn diese dunklen Zellen vermehrt am negativen Strangende eines Solarmodulstranges auftreten.

Elektrolumineszenzaufnahme eines Solarmoduls mit EFG Zellen von ASE
Die EL-Aufnahme zeigt ein Modul mit EFG Zellen von ASE. Man erkennt die extrem ungleichmäßige Stomdichte auf den Zellen, die offenbar durch Kontaktierungsprobleme auf der Frontseite hervorgerufen wird. Durch das besondere Herstellungsverfahren dieser Zellen sind die Zelloberflächen wesentlich rauer als bei konventionellen Solarzellen, die aus einem Siliziumblock gesägt werden.

Elektrolumineszenzaufnahme einer Solarstromanlage zur Bestimmung der Lage der einzelnen Modulstränge
Diese Aufnahme zeigt, wie man die Elektrolumineszenzuntersuchung verwenden kann um die genaue Lage eines Modulstranges zu bestimmen, wenn zum Beispiel keine aussagekräftige Dokumentation für die Anlage vorhanden ist.

Quelle:

photovoltaikbuero
Ternus & Diehl GbR
Dipl.-Ing. (E-Technik) Matthias Diehl
Dipl.-Ing. (Phys. Technik) Tina Ternus
Schönauerhofstr. 27
65428 Rüsselsheim
Tel.: 06142 953047-0
Fax: 06142 953047-9

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