UV-Fluoreszenz als Charakterisierungstool für PV-Module im Freifeld

Ein Photovoltaik-System sollte Strom für mindestens 20 Jahre produzieren. Bei Problemen mit dem System wird typischerweise eine Wärmebildaufnahme erstellt, um Fehler zu finden. Allerdings ist die Wärmebildmethode bzgl. der Wetterbedingungen eingeschränkt und Zellrisse sind nur in besonderen Fällen zu erkennen. Dies ist der Grund, warum wir eine neue Methode für Zellrissprüfung aufgebaut haben, die witterungsunabhängig, kostengünstig und schnell ist.

Wir nutzen den Fluoreszenz-Effekt des Laminationsmaterials der PV-Module, um Zellrisse, gerissene Verbinder und Hot Spots in Wafer-basierten Solarzellen zu erkennen. Hierzu werden die PV-Module einzeln mit Schwarzlicht bestrahlt und das Fluoreszenzlicht insgesamt 10 Sekunden lang pro Modul von einer Kamera gemessen. Die Messung wird in der Dunkelheit durchgeführt. Diese neue mobile Anwendung der Fluoreszenz-Methode ermöglicht eine berührungslose und schnelle Analyse von Modulmängeln im Betrieb.

Die UV-Fluoreszenz von Ethylen Vinyl Acetat (EVA) wurde zum ersten Mal von Pern et al. 1996 verwendet, um das Vergilben von PV-Modulen zu analysieren. Aufgrund der Sonnenlicht-Exposition von EVA bricht insbesondere der UV-Anteil des Spektrums Moleküle in der Laminationsfolie auf, sodass im EVA Chromophore entstehen. Eine Korrelation zwischen Strukturen in UV-Fluoreszenzbildern und Zellrissen wurde von Schlothauer et al. zum ersten Mal 2010 veröffentlicht.

Pern hat gezeigt, dass die fluoreszierenden Abbauprodukte in der EVA-Folie Polyene sind, die aufgrund von UV-induzierten Strukturveränderungen in den Polymerketten des EVA entstehen. Andere Zusätze im EVA können ebenfalls zur UV-Fluoreszenz beitragen, aber dieser Prozess ist noch nicht in allen Einzelheiten bekannt. Wo Sauerstoff vorhanden ist, wandeln sich die fluoreszierenden Abbauprodukte durch einen Photooxidationsprozess in nichtfluoreszierende Produkte um. Entlang der Ränder und Brüche in Solarzellen kann Sauerstoff in das Modul eindiffundieren und der Photooxidationsprozess konkurriert mit der Photodegradation. Dieser Prozess markiert die Zellenkante und Zellrisse mit einer nichtfluoreszierenden Spur.

Abb. 1 zeigt die Veränderung in der Fluoreszenz von EVA im Vergleich zu einem Elektrolumineszenz-Bild, in dem Zellrisse sichtbar sind. Die Zellrisse sind im Fluoreszenzbild erheblich deutlicher erkennbar als im Elektrolumineszenz-Bild. Wir nutzen diesen Effekt, um die Anzahl, Position und Ausrichtung der Zellrisse in PV-Modulen zu bestimmen. Darüber hinaus nimmt die Fluoreszenz im Laufe der Zeit zu, dann nämlich, wenn Teile des PV-Moduls heißer sind als unter üblichen Bedingungen. Dies ermöglicht zusätzlich das Erkennen von Fehlern wie Hot Spots oder unterbrochenen Zellverbinderbändchen. Abb. 2 zeigt einen Teil eines PV-Moduls mit gebrochenem Zellenverbinder einmal mit dem Elektrolumineszenz-Verfahren und einmal mit dem Fluoreszenz-Verfahren aufgenommen. Um die UV-Fluoreszenz im Freien zuverlässig und mit geringem Aufwand zu bestimmen, sollten die PV-Module für mindestens 3 Sommermonate im Freien bewittert worden sein.

Wie bereits erwähnt, benötigt die Photooxidation Zeit für den Aufbau einer nichtfluoreszierenden Spur entlang von Zellrissen. Dieser Effekt kann ausgenutzt werden, um zwischen frischen und alten Zellrissen zu unterscheiden. Dies ist zum Beispiel nützlich, um zu klären, ob ein Zellriss erst kürzlich durch einen Hagelschlag entstanden ist oder durch länger andauernden mechanischen Stress verursacht wurde.

Die Fluoreszenz-Messung ist ein einfaches, zuverlässiges und mächtiges Werkzeug zur Qualitätskontrolle von PV-Modulen.