Sich ablösende Frontkontakte an Solarzellen

Ich habe hier im Blog ja schon eine ganze Reihe von Fehlern beschrieben, die an Photovoltaikanlagen auftreten können, in der Hoffnung, dass viele dieser Fehler schnell erkannt und beseitigt werden können. Der vermeintlich letzte ertragsrelevante Fehler an Photovoltaikmodulen, der hier noch nicht ausführlich beschrieben wurde, sind die „sich ablösenden Frontkontakte“. Grund genug, diesem Fehlerbild mal einen eigenen Artikel zu widmen.

Im letzten Artikel ging es ja bereits um ein verwandtes Fehlerbild: Die sich abtrennenden Zellverbinder zwischen den einzelnen Solarzellen. Nun möchte ich einige Stadien eines Fehlers zeigen, der uns in der Praxis ebenfalls recht häufig begegnet. Den sich ablösenden Frontkontakten. Die durch Licht angeregten Ladungsträger werden auf der Vorderseite der Solarzellen durch ein dünnes Gitter aufgefangen, das im Siebdruckverfahren auf die Zellen aufgebracht wird. Die Kontakte bestanden bisher vorwiegend aus Silber, sollen allerdings zukünftig aus Kostengründen auch aus Kupfer hergestellt werden. Die aufgefangenen Ladungsträger werden von diesen hauchdünnen Leiterbahnen dann an die sogenannten Busbars weitergeleitet. So bezeichnet man die dicken Leiterbahnen, von denen aus dann auch der Kontakt zur nächsten Solarzelle in der Reihenschaltung hergestellt wird.

Nahaufnahme einer Solarzelle mit den Busbars (Frontkontakten)
Nahaufnahme einer Solarzelle mit den Busbars (Frontkontakten)

Das Anlöten der Frontkontakte bedeutet für die Zellen sowohl einen mechanischen als auch einen thermischen Stress bei der Herstellung. Der Übergang vieler Hersteller von zunächst 2 auf 3 Busbars und inzwischen sogar auf 5 Busbars ist ein Zeichen dafür, dass man hier offenbar schon Optimierungsbedarf erkannt hat. Ein Optimierungsbedarf, den wir bei der Untersuchung älterer PV-Anlagen durchaus bestätigen können. Durch mehr Busbars wird der Weg im Emitter der Zelle zum nächstgelegenen Busbar verkürzt. Das führt in erster Linie zu einem kleineren seriellen Widerstand und damit zu einem etwas besseren Wirkungsgrad. Auch die Stromdichte durch jeden Busbar wird durch diese Maßnahme reduziert, so dass man auch ein wenig Material einsparen kann. Die geringere Stromdichte führt dann wohl auch zu einer geringeren Erwärmung der Zellen an den Kontakten.
Doch zurück von den modernen Zellen und den Zellen der Zukunft, zu denen, die uns bei der Fehlersuche begegnen. Durch einen fehlerhaften Frontkontakt muss der Strom über einen geringeren Leiterquerschnitt von der Solarzelle abgeführt werden. Das wiederum führt zu einer höheren Stromdichte in A/cm², was wiederum zu einem höheren seriellen Widerstand führt. Man kann das Fehlerbild an betroffenen Photovoltaikanlagen oft in mehreren Stadien beobachten. Zunächst löst sich an einer Stelle der Frontkontakt teilweise ab, dann ist einer von zwei (oder drei) Busbars komplett hochohmig und schließlich beginnt sich auch der zweite Busbar abzulösen, bis er nur noch einer einer kleinen Stelle Kontakt hat.

hochohmiger Frontkontakt an einer Solarzelle
hochohmiger Frontkontakt an einer Solarzelle (Module mit 3 Busbars)
erhöhte Stromdichte durch "sich ablösende Frontkontakte" auf den Solarzellen.
erhöhte Stromdichte durch „sich ablösende Frontkontakte“ auf den Solarzellen. (Module mit 2 Busbars)
ungleiche Elektrolumineszenz durch ungleichmäßige Stromdichte auf den Zellen.
ungleiche Elektrolumineszenz durch ungleichmäßige Stromdichte auf den Zellen. (Module mit 2 Busbars)

Während man die Anfänge dieses Fehlers kaum bemerkt und nur auf einer Elektrolumineszenzaufnahme oder an einer Dunkelkennlinie bemerken kann, sind diese Fehler in fortgeschrittener Form das, was man auf einer Thermographieaufnahme üblicherweise als Hotspot bezeichnet. Wenn die Stromdichte und der serielle Widerstand an der Kontaktstelle hoch genug geworden sind, kann man den Fehler auch deutlich auf einer Thermographieaufnahme sehen. Die Elektrolumineszenz eignet sich allerdings besonders gut zur Diagnose des Frühstadiums dieser Fehler, weil man unterschiedliche Stromdichten auf der Zelle hier besonders gut durch eine unterschiedlich helle Elektrolumineszenz erkennen kann.

Thermische Auffälligkeiten (Hotspots) durch "sich ablösende Frontkontakte" auf den Solarzellen
Thermische Auffälligkeiten (Hotspots) durch „sich ablösende Frontkontakte“ auf den Solarzellen

Im nachfolgenden Beispiel haben wir eine Anlage mit älteren Modulen untersucht, bei denen der Fehler in verschiedenen Stadien zu beobachten war. Man erkennt, dass die Dunkelkennlinien mit zunehmendem seriellen Widerstand immer flacher werden. Wenn man an einer Anlage regelmäßig die Dunkelkennlinien misst, sollte es also möglich sein, auf solche Fehler frühzeitig aufmerksam zu werden.

Dunkelkennlinie zweier Stränge mit stark unterschiedlichem seriellen Widerstand. Bei Strang 12 ist der Rsd (Resistor serial dark) fast normal. Bei Strang 3 ist der Widerstand durch "sich ablösende Frontkontakte" stark erhöht.
Dunkelkennlinie zweier Stränge mit stark unterschiedlichem seriellen Widerstand. Bei Strang 12 ist der Rsd (Resistor serial dark) fast normal. Bei Strang 3 ist der Widerstand durch „sich ablösende Frontkontakte“ stark erhöht.
Dunkelkennlinien mit sehr unterschiedlichen seriellen Widerständen
Dunkelkennlinien mit sehr unterschiedlichen seriellen Widerständen

Im Anfangsstadium sind diese Fehler kaum ertragsrelevant. Bei zunehmendem seriellen Widerstand wird der Wirkungsgrad der Module dann allerdings immer schlechter. Da der Fehler im Laminat auftritt und dadurch schwer zu reparieren ist, hilft dann eigentlich nur noch, das Modul auszutauschen.

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4 thoughts on “Sich ablösende Frontkontakte an Solarzellen

  1. Hallo Herr Diehl,

    Danke für den Artikel – tritt dieser Fehler nach Ihren Erfahrungen eigentlich bei bestimmten Modultypen häufiger auf? z.B. bei der Cello-Technologie (Multiwire) oder bei bestimmten Herstellern? Oder sind quer durch die Bank Fehlerhäufigkeit und Modulalter korreliert?

    Gruss,
    S.Wieder

    1. Hallo Herr Wieder,
      für eine Statistik reicht die Anzahl der beobachteten Fälle noch nicht aus. Ich sende Ihnen mal per Mail eine Liste mit Modultypen die bisher betroffen waren.

      Gruß Matthias Diehl

      1. Hallo Herr Diehl,

        könnten Sie mir bitte auch die Liste der betroffenen Module schicken?

        Plane in Kürze, eine zweite PV-Anlage zu installieren mit LG Cello-Modulen und da wären entsprechende Erfahrungswerte von Vorteil.

        Vielen Dank und viele Grüße,
        Marco Sussek

        1. Hier mal ein paar Beispiele von Modulen, bei denen der Effekt gefunden wurde:
          BP 585
          Kyocera KC 120
          Braas Solarziegel
          Suntech STP 250m
          Eine vollständige Liste habe ich noch nicht angefertigt.
          Gruß Matthias Diehl

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