ISFH CalTeC - Solarzellen

Ansprechpartner
Dr. Karsten Bothe
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Messplatz zur Bestimmung der differentiellen spektralen Bestrahlungsstärkeempfindlichkeit


Aufbau zur Messung der Strom-Spannungs-Kennlinien

Ablauf der Messung und technische Details

Das ISFH CalTeC (Calibration and Test Center) wurde von der Deutschen Akkreditierungsstelle (DAkkS) unter der Registriernummer D-K-18657-01-00 für die Kalibrierung von Solarzellen gemäß DIN EN ISO/IEC 17025 akkreditiert. Die Akkreditierung deckt die Messung der spektralen Bestrahlungsstärkeempfindlichkeit (SR) sowie die Bestimmung der charakteristischen Solarzellenparameter (Isc, Voc, FF and η) der Strom-Spannungs-Kennlinie (IV-Kennlinie) von Solarzellen unter Standardtestbedingungen gemäß den IEC60904 Standards ab. Alle Parameter werden mit ihrer jeweiligen Unsicherheit angegeben, welche mittels einer anerkannten Unsicherheitsanalyse bestimmt wurde. Um die Rückführbarkeit auf SI-Einheiten sicherzustellen, werden alle Referenzen bei dem nationalen Metrologieinstitut Deutschlands, der Physikalisch Technischen Bundesanstalt (PTB), kalibriert.

Das Kalibrierangebot des ISFH CalTeC ist auf Wafer-basierte Siliziumsolarzellen ausgerichtet, wobei sowohl die für Labore typischen (kleinen) als auch (große) industrielle Solarzellen vermessen werden können. Die kalibrierte Messung einer Solarzelle besteht aus drei Arbeitsschritten:

 

Schritt 1: Flächenbestimmung

Für die Berechnung des Wirkungsgrads einer Solarzelle ist es notwendig ihre Fläche zu kennen. Daher ist der erste Schritt die Flächenbestimmung mittels eines kalibrierten Flachbett-Scanners.

 

Schritt 2: Messung der spektralen Empfindlichkeit

Für die SR-Messung steht am ISFH CalTeC ein auf einem Gitter-Monochromator basierender Aufbau zur Verfügung, mit dem die differentielle spektrale Bestrahlungsstärkeempfindlichkeit bei einer großen Anzahl verschiedener Wellenlängen mit einer spektralen Breite von etwa 10 nm gemessen wird. Das monochromatische Lichtfeld hat eine Fläche von (160 x 160) mm2. Der Aufbau verfügt zudem über ein Halogenlampenfeld mit dem Bias-Beleuchtungen bis zu einer Intensität von 1100 W/m2 (1.1 Sonnen) eingestellt werden können. Um Störeinflüssen durch nicht-lineares Verhalten der Solarzellen entgegen zu wirken, messen wir die differentielle spektrale Empfindlichkeit über den gesamten Wellenlängenbereich bei fünf verschiedenen Bias-Intensitäten E zwischen 0 W/m2 und 1000 W/m2 und berechnen die relative spektrale Bestrahlungsstärkeempfindlichkeit für jede Wellenlänge mittels Integration über E.

Die Kenntnis der spektralen Bestrahlungsstärkeempfindlichkeit ist notwendig, um eine spektrale Fehlanpassungskorrektur durchzuführen. Diese Korrektur korrigiert Unterschiede im erzeugten Photostrom aufgrund von Abweichungen zwischen dem Referenzspektrum (meistens AM1.5G) und dem zur Messung der IV-Kennlinie der Testsolarzelle verwendeten Sonnensimulators.

 

Schritt 3: IV-Messung

Die IV-Messungen werden mit Hilfe eines AAA Sonnensimulators (WACOM WXS-156 S-L2) durchgeführt, welcher aus einen System aus zwei Lampen (Halogen und Xenon) besteht. Die beleuchtete Fläche beträgt (160 x 160) mm2. Auf einer in x-Richtung verfahrbaren Lineareinheit sind nebeneinander die Kontaktiereinheiten für die Test- und Referenzsolarzellen sowie ein Spektralradiometer angebracht. Diese Konstruktion erlaubt eine präzise Kontrolle der Bestrahlungsstärkeintensität und des Spektrums des Sonnensimulators.

 

Die Messung der Strom-Spannungs-Kennlinie teilt sich in fünf Abschnitte:

  • Die WPVS Referenzsolarzelle wird unter den Sonnensimulator gefahren und dessen Intensität so eingestellt, dass die Referenzsolarzelle den Kurzschlussstrom IWPVS.STC liefert, welcher bei der Kalibrierung bei der PTB bestimmt wurde. Im Anschluss wird das Spektrometer unter die Lichtquelle gefahren und überprüft, ob die Lichtquelle die Klasse A Kriterien erfüllt.
  • Die Intensität des Sonnensimulators wird angepasst, um die spektrale Fehlanpassungskorrektur durchzuführen (fMM) und eine laterale Inhomogenität im Lichtfeld (fhom) des Sonnensimulators Dafür wird die WPVS Referenzsolarzelle unter die Lichtquelle gefahren und die Intensität auf Isc.WPVS.corr = Isc.WPVS.STC / fMM / fhom eingestellt.
  • Die zu messende Solarzelle wird eingebaut und mit Kelvin-Messkontakten elektrisch kontaktiert, um die Abschattung der Solarzelle auf ein Minimum zu reduzieren. Anschließend wird die Solarzelle unter die Lichtquelle gefahren und der Kurzschlussstrom Iprobes gemessen. Danach wird die Solarzelle mit Kontaktleisten kontaktiert und die Intensität der Lichtquelle soweit erhöht bis der Kurzschlussstrom Isc.probes, welcher mit den Kelvin-Messkontakten gemessen wurde, erreicht ist.
  • Die zu messende Solarzelle wird unter die Lichtquelle gefahren um die Leerlaufspannung Voc bei 25 °C zu messen. Hierfür wird die Temperatur der Solarzelle mit einem PT-1000 Temperaturfühler taktil auf der Solarzellenrückseite im Dunkeln auf 25 °C eingestellt. Im Anschluss wird der Hochgeschwindigkeitsshutter des Sonnensimulators geöffnet und die Leerlaufspannung der Solarzelle als Funktion der Zeit aufgezeichnet. Das Maximum Vmax der so aufgenommenen Daten entspricht der besten Abschätzung für Voc bei 25 °C unter Beleuchtung.
  • Der Shutter des IV-Testers wird dauerhaft geöffnet und die Temperatur des Messtisches so eingestellt, dass die Leerlaufspannung Voc dauerhaft der zuvor gemessenen Vmax entspricht. Im Anschluss wird die Strom-Spannungs-Kennlinie mit Hilfe einer Vierquadranten-Strom-Spannungs-Quelle gemessen.

 

Zusätzliche Informationen:

Es wird je ein Kalibrierschein für die SR- und die IV-Messung ausgestellt. Alle Messgrößen werden mit ihren jeweiligen Unsicherheiten angegeben.

Bitte beachten Sie, dass die kalibrierte Messung nur für den Fall durchgeführt wird, dass die Standardtestbedingungen gemäß IEC 60904 während der gesamten Messung gewährleistet sind. Für die zeitliche Stabilität der Solarzellen ist der Kunde verantwortlich.

 

Preise

Anzahl der Zellen Preis in € pro Zelle (SR und IV)
1 650
2 570
3 540
4 530
5 525