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125
7 Zusammenfassung
Die wichtigste Charakterisierungsmethode von Konzentratormodulen stellt die Messung der Strom‐
Spannungs‐Kennlinie unter Beleuchtung ‐ der sogenannten Hellkennlinie ‐ dar. Zur Erzeugung der hierfür benötigten sonnenähnlichen Strahlung kommen Sonnensimulatoren zum Einsatz. Ihre Strahlung muss definierte Eigenschaften bezüglich der spektralen Bestrahlungsstärke, Homogenität und Winkelverteilung aufweisen. Darüber hinaus muss die generierte Strahlung möglichst großflächig sein, da hierdurch die maximal messbare Apertur des zu untersuchenden CPV Moduls beschränkt wird. In der Praxis stellt die Erzeugung dieser sonnenähnlichen Strahlung jedoch eine enorme Herausforderung mit teilweise großen Abweichungen von den geforderten Eigenschaften dar. Aus diesem Grund wurde in der vorliegenden Arbeit der Einfluss dieser (imperfekten) Simulatorstrahlung auf die Messung der I‐V Kennlinie untersucht und daraus resultierend, Verbesserungen entwickelt.
Problematik der Großflächigkeit der Simulatorstrahlung
Aktuelle CPV Module weisen Flächen von bis zu 45 m² auf und sind daher selbst mit den gegenwärtig großflächigsten Sonnensimulatoren (~2.5 m²) nicht charakterisierbar. Da man jedoch in der industriellen Qualitätskontrolle, wie auch in der Forschung, auf die Messung der Hellkennlinie angewiesen ist, besteht derzeit ein großes Interesse an einem dementsprechenden Messverfahren.
Aus diesem Grund wurde in dieser Arbeit eine neue Messmethode eingeführt, welche die Charakterisierung von CPV (und auch PV) Modulen mit Sonnensimulatoren kleinerer Apertur ermöglicht (Kapitel 4). Dieses sogenannte SMP Verfahren (stepwise measurement procedure) basiert auf einer Unterteilung des Moduls in kleinere Subeinheiten. Diese Subeinheiten werden im Anschluss nacheinander mit dem Sonnensimulator beleuchtet, wobei jeweils die I‐V Kennlinie des Gesamtmoduls unter Teilbeleuchtung gemessen wird.
Unter Verwendung eines Berechnungsformalismus kann abschließend die Hellkennlinie des Moduls ermittelt werden. Durch eine experimentelle Validierung konnte eine hohe Genauigkeit der durch dieses Verfahren ermittelten charakteristischen I‐V Parameter nachgewiesen werden. Die maximale Abweichung lag hierbei stets unter 1%, meistens sogar weit darunter. Das Verfahren und dessen Validierung wurden in [70, 71] veröffentlicht.
In einem realistischen Anwendungsumfeld des SMP Verfahrens kann es zu einer Vielzahl von störenden Einflüssen, wie beispielsweise Temperaturveränderungen, Streulicht, aber auch Abbildung 7.1: Schematischer Aufbau eines reflektiven Sonnensimulators für CPV Module. Die Simulatorstrahlung wird durch eine Kombination aus Licht‐
quelle und Parabolspiegel generiert. Zu erzielen ist eine großflächige, homogene Bestrahlung, definierter Winkelverteilung und spektraler Bestrahlungsstärke.
126 Zusammenfassung Defekten innerhalb des zu untersuchenden Moduls kommen. Um den Einfluss dieser Störfaktoren auf die Genauigkeit des SMP Verfahrens zu untersuchen, wurde eine simulatorische Sensitivitätsanalyse des Verfahrens durchgeführt und in [72, 73]
veröffentlicht. Als signifikantester Faktor stellte sich hierbei der Einfluss der Temperatur heraus, welcher sich in dem untersuchten Extremfall mit ∆ /∆ 1.8 %/K auf die ermittelte Leistung auswirkte. Der Einfluss aller anderen Faktoren war eher gering (∆ 1%) bzw. konnte durch spezielle Vorgehensweisen minimiert werden.
Mit der Entwicklung und Untersuchung dieses Verfahrens wurde eine Möglichkeit vorgestellt, mit welcher eine grundlegende Problematik von Sonnensimulatoren – die Notwendigkeit einer großflächigen Bestrahlung – behoben werden kann.
Winkelverteilung und Homogenität der Simulatorstrahlung
Bei reflektiven Sonnensimulatoren für CPV Anwendungen ist die Homogenität und Winkelverteilung der Simulatorstrahlung, wie in Abbildung 7.1 veranschaulicht, durch eine Kombination aus Parabolspiegel und Lichtquelle bestimmt. Bereits geringe optische Fehler des Spiegels können hierbei jedoch zu einer inhomogenen Bestrahlungsstärkeverteilung in der Modulebene führen, eine ungeeignete Form der Lichtquelle wiederum zu Abweichungen der Winkelverteilung.
Um die Auswirkung dieser imperfekten Simulatorstrahlung auf die Messung der I‐V Kennlinie zu untersuchen, wurde in Kapitel 5.1 ein Simulationsmodell für reflektive Sonnensimulatoren vorgestellt (veröffentlicht in [82]). Anhand dieses Modells konnte in Kapitel 5.2 der Einfluss einer inhomogenen Bestrahlungsstärkeverteilung auf die Messung der I‐V Kennlinie untersucht werden. Hierbei zeigte sich, dass es zu einer Unter‐, aber auch Überschätzung der charakteristischen I‐V Parameter kommen kann. Die Größe der Abweichung hängt hierbei von der Größe des Moduls, dessen Optik, der elektrischen Verschaltung seiner Solarzellen, sowie dem Ort innerhalb der Testebene ab. Basierend auf dem Parameter der Inhomogenität konnte ein einfaches Modell entwickelt werden, mit welchem diese Abweichungen qualitativ und teilweise auch quantitativ beschrieben werden können. Ausgehend von diesem Modell wurde ein Programm entwickelt, welches für ein gegebenes Modul den optimalen Ort der Messung ermittelt. Hierdurch konnte, am Beispiel eines 768 cm² Moduls mit 48 seriellen Zellen, die Abweichung des ISC von 4.0% auf 1.5%, des PMPP von ‐3.2% auf ‐0.5% und des FF von ‐5.8% auf ‐1.7% reduziert werden.
Um den Einfluss der von der Sonnenstrahlung abweichenden Winkelverteilung des Sonnensimulators zu untersuchen, wurde erneut das in Kapitel 5.1 vorgestellte Strahlverfolgungsmodell des Sonnensimulators angewandt. Hierbei zeigte sich, dass die Winkelverteilung der Simulatorstrahlung zu einer Intensitätsverteilung auf der Solarzelle führt, welche stark durch die Form der Lichtquelle bestimmt ist, bei Simulation der Außenbedingungen hingegen durch die Form der Sonne. Mit Hilfe eines Netzwerkmodells einer gitterangepassten Mehrfachsolarzelle konnte der Einfluss dieser unterschiedlichen Intensitätsverteilungen auf die I‐V Kennlinie ermittelt werden. Hierbei stellte sich heraus, dass der Einfluss der sich unterscheidenden Winkelverteilungen hauptsächlich von dem Zellparameter des Schichtwiderstandes SRE2 zwischen Ober‐ und Mittelzelle abhängig ist.
Bei Zellen mit geringem SRE2 entstanden Ausgleichsströme, welche den Effekt der abweichenden Winkelverteilung unterdrücken. Bei Zellen mit großen Schichtwiderständen kam es hingegen zu einer Beeinflussung der charakteristischen I‐V Parameter, welche im
127 schlechtesten Fall (SRE2 = 1000 Ω/sq.) eine Unterschätzung des PMPP von bis zu ‐5.2% zur Folge hatte. Ein typisches Modul (SRE2 = 66 Ω/sq. und c = 500) zeigte hingegen nur geringe Abweichungen von ΔPMPP ~ ‐0,25%.
Einzige Möglichkeit, die in dieser Untersuchung nachgewiesenen Effekte zu reduzieren, stellt die Entwicklung einer Lichtquelle mit sonnenähnlicher Leuchtdichteverteilung dar. Als Resultat mehrerer Voruntersuchungen hob sich hierbei die Verwendung einer Ulbrichtkugel für Hochintensitätsanwendungen als vielversprechendster58 Ansatz hervor. Durch Messungen konnte eine sehr gute Anpassung der dadurch erzielten Winkelverteilung nachgewiesen werden.
Spektrum der Simulatorstrahlung
Die Spektralkorrekturmethode59 [18] ermöglicht eine Anpassung des Simulatorspektrums, wodurch spektral induzierte Abweichungen bei der Messung der I‐V Kennlinie minimiert werden können. Eine Grundvoraussetzung für die Anwendbarkeit dieser Methode, ist die Kenntnis der EQE des zu untersuchenden Moduls. Bisher gibt es jedoch noch kein Verfahren die EQE von CPV Modulen zu messen, womit die Spektralkorrekturmethode nicht standardmäßig an Sonnensimulatoren für CPV Module eingesetzt werden kann.
Aus diesem Grund wurde ein neuartiges Konzept zur Messung der EQE von CPV Modulen vorgestellt (Kap. 6.1). Hieraus entstand ein Testaufbau mit dem es gelang, die EQE von CPV Mono‐Modulen (mit Einfachsolarzellen) zu messen. Der Testaufbau, seine Validierung, sowie die Messungen der EQEs wurden in [105] veröffentlicht60. Im Weiteren wurde dieses Konzept für die Messung von CPV Modulen mit Mehrfachsolarzellen erweitert (Kap. 6.2). Hierbei stellte sich heraus, dass der Photostrom eines CPV Moduls nicht zwingend (wie bisher üblich) durch das Integral aus EQE und Spektrum gegeben ist, sondern aufgrund von Stromlimitierungseffekten geringer sein kann. Um zu untersuchen, ob ein Modul von diesen Effekten betroffen ist, wurde ein Verfahren vorgestellt (Kap. 6.3), mit welchem auch die Größe der Limitierung ermittelt werden kann.
Mit dieser Arbeit konnten grundlegende Erkenntnisse bezüglich der Innencharakterisie‐
rung mit reflektiven Sonnensimulatoren für CPV Anwendungen erlangt werden.
Messunsicherheiten konnten quantifiziert und darauf aufbauend, Möglichkeiten zur Reduktion dieser entwickelt werden. Die erzielten Ergebnisse stellen sowohl eine Grundlage für zukünftige Standards in der Charakterisierung von CPV, als auch zur Entwicklung neuer hoch genauer Sonnensimulatoren für CPV Anwendungen dar.
58 Darüber hinaus eignen sich Ulbrichtkugeln für Hochintensitätsanwendungen auch für die Entwicklung von Mehrquellensonnensimulatoren. Diese sind zur Charakterisierung von CPV Modulen mit mehr als drei Teilzellen von großem Interesse.
59 Diese stellt eine Erweiterung der Mismatch‐Methode [16, 17] für Mehrfachsolarzellen dar.
60 Die Untersuchung sowie Veröffentlichung entstand in einer Zusammenarbeit mit T. Mißbach und M. Mundus. Die Erweiterung auf Mehrfachsolarzellen wurde im Rahmen dieser Arbeit durchgeführt.
128
8 Ausblick
Hinsichtlich aktueller und zukünftiger Zell‐ und Modulkonzepte mit vier und mehr Teilzellen, stellt die Entwicklung eines Mehrquellensonnensimulators eine grundlegende Notwendigkeit dar. Die Verwendung einer Ulbrichtkugel für Hochintensitätsanwendungen repräsentiert hierbei ein vielversprechendes Konzept, welches zum einen eine perfekte Anpassung der Winkelverteilung ermöglicht, zum anderen in Kombination mit dem vorgestellten Verfahren zur Messung der EQE von CPV Modulen, eine Anwendung der Spektralkorrekturmethode ermöglichen würde. Hierdurch könnten spektral induzierte Messfehler nahezu völlig reduziert werden. Unter Verwendung des vorgestellten SMP Verfahrens könnten in Kombination mit einem genaueren Spiegel selbst großflächige Module bei geringeren inhhomogenitätsinduzierten Messunsicherheiten gemessen werden.
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