3 Charakterisierung von POWER-Solarzellen
3.6 Charakterisierung unter realen Einsatzbedingungen
Zelltyp 1 Zelltyp 2 Zelltyp 3
Abbildung 3.14: LBIC-Aufnahmen (λ = 980nm, Vergrößerung von Region (1) aus Abbildung 3.13) des Bereichs des Rückkontaktsteges. Aufgrund der besseren Oberflächenpassivierung durch das LPCVD-Nitrid ist die IQE bei Zelltyp 2 höher als bei den anderen Typen.
3.6 Charakterisierung unter realen Einsatzbedingungen
Solarzellen werden gewöhnlich unter Standard-Testbedingungen39 gemessen (vgl. Kapitel 3.2.2), um die Ergebnisse untereinander vergleichbar zu halten. Dabei werden sowohl das eingestrahlte Licht in Intensität und Spektrum als auch die Temperatur der Zelle standardi-siert. In der realen Anwendung variiert hingegen die Einstrahlung sowohl mit dem Stand der Sonne als auch mit Ort und Geometrie der Zellinstallation. Gleichzeitig werden die Zellen bzw. Module in der Regel nicht aktiv gekühlt, so daß deren Temperatur die in den Standard-bedingungen angenommen 25°C meist drastisch überschreitet, was eine Verringerung des Wirkungsgrades der Zelle zur Folge hat (vgl. Kap. 3.2.3). Als Konsequenz liegt die Leistung von Solarzellen unter realen Anwendungsbedingungen meist unter der im Labor ermittelten.
Erst ergänzende Messungen der Zellcharakteristiken im realen Einsatz erlauben Rückschlüsse auf den zu erwartenden Energieertrag der Solarzelle.
3.6.1 Meßapparatur und Meßgeometrien
Im Rahmen dieser Studie konnten Messungen von POWER-Solarzellen an der Freiluft-Meßeinrichtung des Paul Scherrer Institutes PSI in Villigen / Schweiz durchgeführt werden.
Diese erlaubt es, die IV-Charakteristik der Solarzelle simultan mit der eingestrahlten globalen und direkten Sonneneinstrahlung zu bestimmen. Die direkte Einstrahlung wird dabei mit ei-nem Pyrheliometer mit eiei-nem Öffnungswinkel von 4° aufgenommen, wohingegen die globale Einstrahlung mit sieben Pyranometern und zwei Referenzzellen ermittelt wird. Gleichzeitig wird die Umgebungstemperatur und, mit Hilfe von kleinen, auf die Zelle aufgeklebten Pt-100-Thermowiderständen, die Zelltemperatur gemessen. Mit dieser Freiluft-Meßeinrichtung aufgenommene Zellcharakteristiken wurden von einem international anerkannten Eichmeßla-bor (FhG-ISE, Freiburg) bestätigt. Regelmäßige Kalibrierungen aller Meßeinrichtungen ga-rantieren eine durchgehend hohe Qualität und Verläßlichkeit der Meßresultate. Eine detail-lierte Beschreibung der Meßeinrichtung gibt Durisch [Durisch98].
39 standard test conditions STC: standardisiertes AM1.5g Spektrum mit 1000 W/m², 25°C Zelltemperatur
KAPITEL 3 CHARAKTERISIERUNG VON POWER-SOLARZELLEN
60
Die Messungen wurden an ideal sonnigen Tagen im September 1999 durchgeführt. In zwei separaten Meßreihen wurden jeweils mono- und bifaciale POWER-Zellen charakterisiert und mit einer konventionellen Referenzzelle verglichen. Die Zellen wurden auf Glasplatten fi-xiert, mit verzinnten Kupferstreifen kontaktiert und zur Bestimmung der Zelltemperatur mit einem kleinen, auf die Zellrückseite aufgeklebten Pt-100-Widerstand versehen (vgl.
Abbildung 3.15). Zur Reduzierung störender Serienwiderstandseinflüsse wurden sowohl die Zelle selbst als auch der Temperaturwiderstand im 4-Punkt-Verfahren kontaktiert. Um den Einfluß von Reflexionen vom Hintergrund auf die Zelle zu erkennen, wurden die Zellen je-weils mit schwarzem bzw. weißem Papier als Rückreflektoren hinterlegt. Die gemessene, diffuse Reflexion des Papiers liegt bei Rschwarz ≈ 4% bzw. Rweiß ≈ 83% im Bereich sichtbaren Lichtes.
Abbildung 3.15: Meßanordnung der Freiluft-messung; Zelle und Temperaturwiderstand sind mit 4-Punkt- Methode kontaktiert
a) Messung mit einem Suntracker
Die Solarzellen wurden auf einem zweiachsigen Suntracker (vgl. Abbildung 3.16) montiert.
Dieser Suntracker ermöglicht eine präzise Ausrichtung der Zellen senkrecht zur Sonne im gesamten Tagesverlauf. Dadurch wird die Leistungsabgabe der Solarzellen maximiert. In der Praxis lohnt sich die Nachführung der Zellen mittels eines Suntrackers nur für hocheffiziente Solarzellen, insbesondere Konzentratorsysteme. Die Rückreflektoren wurden in dieser Meß-anordnung parallel hinter der Zelle montiert.
b) Messung in fixierter Position 45° bzw. 90° zum Boden
In den meisten Anwendungen werden die Solarzellen der Sonne nicht nachgeführt sondern fest in südliche Richtung ausgerichtet montiert. Eine typische Anordnung ist beispielsweise die Montage auf Hausdächern und Wintergärten etwa im 45°-Winkel. In speziellen Anwen-dungen wie Lärmschutzwänden oder Hausfassaden stellt man die Solarzellen hingegen im rechten Winkel zum Boden auf. Die feste Installation spart Konstruktionskosten, aber redu-ziert natürlich die tägliche Leistungsausbeute der Solarmodule.
Um diese beiden Standardanwendungen nachzustellen, wurden die zu messenden Solarzellen im 45°- bzw. 90°-Winkel zum Boden montiert und nach Süden ausgerichtet (vgl. Abbildung 3.17). Das als Rückreflektor verwendete Papier bedeckt flach den Boden. Es stellt somit einen sehr einfachen, kostengünstig zu realisierenden Reflektor dar.
3.6 CHARAKTERISIERUNG UNTER REALEN EINSATZBEDINGUNGEN 61
Abbildung 3.16: nachgeführte Messung mit dem 2-achsigen Suntracker
Abbildung 3.17: Messung in fester 45°- bzw.
90°-Position vor weißem bzw. schwarzem Hintergrund
3.6.2 Meßergebnisse
a) Freiluftmessungen im Vergleich zu STC-Messungen
Tabelle 3.5 gibt die besten, unter Freiluftbedingungen gemessenen IV-Daten der untersuchten mono- und bifacialen POWER-Zellen wieder. Die Ergebnisse wurden auf dem Suntracker unter einer maximalen, globalen Einstrahlung von 920 – 950W/m² gemessen. Es wurden auch die Zelldaten der bifacialen POWER-Zelle unter Standard-Testbedingungen angegeben.
Der Vergleich der Messung von bifacialen POWER-Zellen (Typ 2) unter Freiluft- und unter Standardbedingungen ergibt eine gute Übereinstimmung der Resultate. Da die Zellen in der realen Anwendung gewöhnlich nicht aktiv gekühlt werden, erhöht sich die Zelltemperatur auf etwa 50°C. Dies hat ein Absinken der Leerlaufspannung VOC um über 50mV und damit ver-bunden Verluste im Füllfaktor zur Folge. Die verminderte Kurzschlußstromdichte JSC resul-tiert hingegen nur aus der geringeren, eingestrahlten Leistung und wirkt sich somit nicht ne-gativ im Wirkungsgrad aus.
Insgesamt liegt der, durch die Temperaturerhöhung von ca. 25°C bedingte Verlust von 1,5 – 1,6% (absolut) im Wirkungsgrad bei den Freiluftmessungen im Vergleich zu den Standard-messungen im Rahmen der in Kapitel 3.2.3 (temperaturabhängige. IV-Messung) ermittelten Werte von 0.06 – 0.07%/°C.
Tabelle 3.5: beste IV-Ergebnisse bei Charakterisierung unter Freiluft-Bedingungen im Ver-gleich zu STC-Messungen. Der Verlust im Wirkungsgrad begründet sich hauptsächlich aus der erhöhten Zelltemperatur TZelle.
Hinter-grund
VOC
[mV]
JSC
[mA/cm²]
FF
[%] η40 [%]
TZelle
[°C]
schwarz 502 23,8 68,4 9,0 47
monofacial POWER
Freiluft-Bedingung weiß 507 25,2 67,8 9,3 46
schwarz 536 28,9 65,4 10,8 47
bifacial POWER
Freiluft-Bedingung weiß 538 31,3 64,1 11,6 46
schwarz 590 31,0 67,4 12,3 25
bifacial POWER
Standard-Bedingung weiß 592 33,3 66,8 13,2 25
40 bei den Freiluftmessungen beziehen sich Strom und Wirkungsgrad auf eine Einstrahlung von 920-950 W/m²
KAPITEL 3 CHARAKTERISIERUNG VON POWER-SOLARZELLEN
62
b) Freiluftmessungen bei fester Montage
Im folgenden soll nun die feste Montage in verschiedenen Winkeln zum Untergrund und mit verschiedenen Rückreflektoren besprochen werden.
Aufgrund von Serienwiderständen wächst der Füllfaktor mit sinkender Lichtintensität und damit mit sinkender Stromdichte an. Dieses untypische Verhalten beeinflußt den Wirkungs-grad. Deshalb wurde als Vergleichsgröße die Kurzschlußstromdichte JSC herangezogen. Sie erlaubt eine direkte Aussage über das von der Solarzelle eingesammelte Licht.
Abbildung 3.18 und Abbildung 3.19 geben die unter Freiluftbedingungen gemessene Abhän-gigkeit der Kurzschlußstromdichte von der eingestrahlten, globalen Lichtintensität für eine feste 45° bzw. 90°-Montage an.
Es ist zu erkennen, daß bei der 45° Position nur die bifacialen Zellen von dem Rückreflektor profitieren können. Licht, welches durch die Zelle transmittiert oder schräg hinter die Zelle eingestrahlt wurde, wird auf die Zellrückseite reflektiert und erhöht JSC um 10 – 12%.
Bei der 90°-Aufständerung tritt bei allen Zellen eine Stromsteigerung auf. Während die monofacialen Zellen ihren Strom nur aufgrund von Reflexionen vom Untergrund auf die Zellvorderseite um 10 – 30% erhöhen, können die bifacialen Zellen auch wieder durch schrägen Einfall auf die Zellrückseite reflektiertes Licht sammeln und dadurch ihren Strom um 20 -33% steigern. Referenz, schwarz monofacial, weiß monofacial, schwarz
JSC [mA/cm²]
globale Einstrahlung [W/m²]
Abbildung 3.18: Freiluftmessung von POWER-Zellen in fester 45° Position mit schwarzem oder weißem Hinter-grund entsprechend der Geometrie in Abbildung 3.17. Nur die bifacialen Zellen reagieren auf den Rückre-flektor mit einer Stromsteigerung von 10 – 12%. Referenz, schwarz monofacial, weiß monofacial, schwarz
JSC [mA/cm²]
globale Einstrahlung [W/m²]
Abbildung 3.19: Freiluftmessung in 90° Position. Monofaciale und bifa-ciale Zellen weisen bei Verwendung von weißem Untergrund eine Stromsteigerung von 10 30% bzw. 20 -33% auf.
3.6 CHARAKTERISIERUNG UNTER REALEN EINSATZBEDINGUNGEN 63
14.00 15.00 16.00 17.00 18.00 19.00 0
200 400 600 800 1000
globale Einstrahlung, suntracked direkte Einstrahlung, suntracked globale Einstrahlung,
fixierte Südausrichtung, 45° zum Boden
Einstrahlung [W/m²]
Uhrzeit
Abbildung 3.20: direkte und globale Einstrahlung im Tages-verlauf für den nachgeführten und den fest installierten Fall.
Bei der Interpretation des Stromverhaltens ist zu berücksichtigen, daß bei diesen Messungen die Variation der globalen Lichtintensität aufgrund des wandernden Sonnenstandes im Tages-verlauf zustande kommt. In den Daten tritt also versteckt auch eine Winkelabhängigkeit auf.
Kleine Lichtintensitäten entsprechen einem niedrigeren, östlicheren Sonnenstand und damit einem größeren Einfallswinkel. Da die globale Einstrahlung aufgrund technologischer Limi-tierungen nur im 45° Winkel bestimmt werden konnte, ist es diesem geometrischen Einfluß auch zuzuschreiben, daß in Abbildung 3.19 die Stromdichte ein leicht parabolisches Verhal-ten aufweist. Um eine qualitative Zuordnung des Sonnenstandes zu erlauben, wurde in Abbildung 3.20 die Einstrahlung gegen die Uhrzeit an dem Meßtag aufgetragen.
Die vorgestellten Untersuchungen erlauben noch keine abschließenden Aussagen über den Energieertrag von POWER-Solarzellen. Die dafür notwendigen, detaillierten Messungen des Verhaltens der Zellen auf verschiedene Wetter- und Beleuchtungsverhältnisse gehen weit über das im Rahmen dieser Studie Mögliche hinaus.
Auch die Untersuchung ausgeklügelter, die Bifacialität der Zelle nutzender Rückreflektoren wäre sehr interessant. Messungen von bifacialen Zellen vor stark reflektierenden Hintergrün-den und einer geschickt gewählten Geometrie ergaben Energieertragssteigerungen von bis zu 59% gegenüber vergleichbaren monofacialen Zellen [Sala84], [Luque85].
Diese Studie konnte zeigen, daß sich STC-Messungen im Freiluftversuch reproduzieren las-sen, wobei sich Verluste im Wirkungsgrad aufgrund der erhöhten Zelltemperatur verzeichnen lassen. Des weiteren konnten mit einem äußerst einfachen Rückreflektor Steigerungen im Kurzschlußstrom von bifacialen POWER-Zellen von 10 – 33% je nach Montage erreicht wer-den.
KAPITEL 3 CHARAKTERISIERUNG VON POWER-SOLARZELLEN
64
3.7 Zusammenfassung: Überblick und Bewertung der Herstellungsprozesse