Outdoor Elektrolumineszenz Untersuchungen an Photovoltaikanlagen

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.

 

Das Video zeigt die Untersuchung von Sunpower Modulen mit Hilfe einer InGaAs Kamera. Zur Steuerung der Kamera war ein Notebook notwendig, das mit einer USB Verlängerung angeschlossen war und aus standsicherer Position von einer zweiten Person bedient wurde. Das Handling war daher äußerst schwierig.

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.
Möchte man z.B. nach einem Hagelereignis überprüfen ob noch alle Solarzellen auf dem Dach intakt sind, ist die Elektrolumineszenzuntersuchung die erste Wahl. Auch der immer häufiger auftretende PID Effekt (Potenzial induzierte Degradation) kann mit der EL-Methode sicher diagnostiziert werden. Das Service-Netzteil pvServe kann außerdem dazu verwendet werden den Effekt (zumindest teilweise) wieder rückgägig zu machen. Eine eher banal erscheinende aber dennoch öfter nachgefragte Dienstleistung ist das Ausfindigmachen der exakten Lage der Modulstränge bei fehlender Dokumentation der Solarstromanlage.
Außer unseren Dienstleistungen bieten wir für interessierte Solarteure und Gutachter inzwischen Komplettsets bestehend aus dem pvServe und einem EL-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 ein 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 auch umgekehrt gilt. Die Aufnahme wurde in etwa mit einem Drittel des Rückstromes gemacht im Vergleich zu den 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.

Zum Abschluss ist hier nochmal der Link zu unserem öffentlichen Webalbum, in dem wir die interessantesten Elektrolumineszenzaufnahmen veröffentlichen.

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9 Kommentare zu “Outdoor Elektrolumineszenz Untersuchungen an Photovoltaikanlagen

  1. Hallo,
    das sind ja tolle Aufnahmen. Was ich mich jetzt natürlich Frage ist die Auswirkung der gezeigten Defekte. Ist es vernachlässigbar wenn ein kleines Stück Zelle abgebrochen oder Haarrisse entstanden sind? Wie groß ist ein Leistungsverlust oder anders herum wann führen kleine Defekte zu großen Verlusten oder zu Garantieansprüchen? Soweit mir bekannt ist, sind ja optische und andere Defekte nicht in den Garantiebedingungen berücksichtigt, lediglich die aktuelle Leistung wird als Maß aller Dinge genommen. Also inwieweit kann man die aus der EL-Aufnahme gewonnenen Erkenntnisse wirklich gewinnbringend für den Kunden einsetzen?
    Bezüglich EFG Zelle: Ist es möglich, dass das entstehende Muster rein aus der Zellstruktur bzw Zelloberfläche herrührt? Die Zelle konnte ich auch ohne Unterschrift/Benennung erkennen. Da wir im Bereich Optik/Wellen sind erscheint es mir mehr als logisch, dass die EFG Zelle keine Homogenität aufweisen kann. Das heißt aber nicht zwangsläufig, dass es sich um einen Fehler oder eine Ertragsminderung handeln muss.
    Die First Solar Module erscheinen sehr unterschiedlich. Worauf begründet sich das? Ist es ein „normales“ Modul und ein leistungsdegradiertes, Low-Power Modul?
    Für ein kleines Feedback und weitere Kommentare bedanke ich mich schon mal im Voraus.
    Mit freundlichen Grüßen
    Olaf Nehm

  2. Hallo Herr Nehm,
    wenn ein kleines Stück einer Zelle abgebrochen ist, kann dieser Teil der Zelle keinen Beitrag mehr zum Strom des zugehörigen Modulabschnitts leisten. Beispiel: Wenn 20% einer Zelle inaktiv sind, so wird diese Zelle einen um 20% geringeren Strom liefern. Nun ist diese Zelle, je nach Modulkonfiguration, mit weiteren Zellen (meist 19 oder 23) in Reihe geschaltet, die entsprechend ebenfalls nur noch den geringeren Strom liefern können. Versucht der Wechselrichter mehr Strom zu ziehen, so wird die defekte Zelle beginnen eine Gegenspannung aufzubauen, bis schließlich die Bypassdiode über dem entsprechenden Modulabschnitt aktiv wird. Dadurch wird dann die Gesamtleistung des Modulstranges um die Leistung eines Drittelmoduls gemindert. Ab einer bestimmten Größe der abgerissenen Zelle kann der Verlust daher bereits relevant werden. Folgende Rechnung soll die Sache verdeutlichen: Wenn ein Drittel einer Zelle abgerissen ist, liefert ein Drittel des Moduls ein Drittel weniger. Wenn es sich z.B. um ein 230Wp handelt, wären das dann 1/9*230Wp = 25,5Wp Leistungsminderung. Das sind immerhin schon 11% Leistungsminderung für das Gesamtmodul. Je nach Alter des Moduls könnte hier also schon ein Fall von Leistungsgarantie vorliegen. Die EL kann also dazu dienen, gezielt die Module herauszusuchen, bei denen es sich lohnt eine Leistungsmessung durchzuführen. Thema EFG: Was man sieht ist eine sehr ungleiche Verteilung der Stromdichte über die Zelle (vgl. letzte Aufnahme, wo die Verteilung extrem gleichmäßig ist). Die war aber mit großer Wahrscheinlichkeit schon von Anfang an so und der leistungsmindernde Effekt ist bereits in die Leistung der Module eingeflossen. Mit einer gleichmäßigeren Stromverteilung über die Zellen hätten diese Module mit großer Wahrscheinlichkeit einen besseren Wirkungsgrad gehabt. Ein Mangel im Sinne eines Falles von Minderleistung lässt sich hier nicht ablesen.Bei den First Solar Modulen haben wir ausprobiert, wie die Stromaufteilung bei parallel geschalteten Modulen ist, die man rückwärts bestromt. In diesem Fall war die Aufteilung sehr inhomogen, was sich in der ungleichen IR Emission widerspiegelt.
    Matthias Diehl (pvbuero)

  3. Hallo,

    im unteren Teil des Textes konnte ich entnehmen das Sets zur Lumineszenzmessung existieren. Da ich gerade eine Anfrage diesbezüglich habe würde mich Interessieren was so ein Set kosten würde.

    mit freundlichen Grüßen

    M.Lisges

  4. Hallo Herr Lisges,

    schicken Sie uns doch bitte eine mail an info@pvbuero.de mit Ihren Kontaktdaten. Dann erhalten Sie ein entsprechendes Angebot inkl. Demomessung. Danke

    mit sonnigen Grüßen

    Tina Ternus (pvbuero)

  5. Hallo,

    ich habe schon ein Modul gesehen, wobei eine Zelle durch einen Hagel stark beschädigt war und auf der Elektrolumineszenzaufnahme nahezu dunkel erschien (etwa wie die 3. Aufnahme von oben auf dieser Seite). Ich kann es nur so erklären, dass durch die vielen Brüche auf dieser Zelle die Zelle irgendwie intern kurzgeschlossen ist. Aber es scheint überhaupt keine Auswirkungen auf die restlichen Zellen im Zellstring zu haben. Nach der verbreiteten Meinung müsste in diesem Fall doch die Diode aktiv werden und 1/3 des Moduls außer Gefecht setzten oder wie ist Ihre Erklärung dazu?

  6. Hallo Kurosch,
    in dem Bild oben, auf dem die dunkle Zelle zu sehen ist, handelt es sich um ein Modul von Sunpower mit rückseitig kontaktierten Solarzellen. Hier kann es also durchaus passieren, dass die Zelle durch einen Kurzschluss auf der Rückseite vollständig überbrückt wird, ohne dass die restlichen 23 Zellen im Substring davon beeinträchtigt werden. Es sinkt lediglich die Modulspannung um die Spannung einer Zelle ab. Bei einem „normalen Modul“ mit frontseitig kontaktierten Zellen habe ich noch nie eine vollkommen dunkle Zelle gesehen.
    Dass Zellen unterschiedlich starke Emission zeigen kommt hingegen öfter vor. Ich denke, wenn eine Zelle defekt ist und sehr viele lokale Shunts ausgebildet hat, wird sie auch eine deutlich schlechtere Elektrolumineszenz zeigen. Trotzdem kann sie vom gleichen Strom wie die anderen Zellen durchflossen sein. Die umgesetzte Energie wird dann wahrscheinlich zu einem größeren Teil in Wärme umgesetzt und nur zu einem kleineren Teil in IR-Emission.
    Gruß Matthias Diehl (pvbuero)

  7. Anfrage: Welcher Betrieb in SW-Deutschland besitzt eine von Ihnen gelieferte Meßeinrichtung? Ich möchte mit ihm in Kontakt kommen. Danke

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