01.11.2012
Wirtschaftlicher Hintergrund
In Hinblick auf die gesetzlich und gesellschaftlich geforderte Energiewende wird die Bedeutung der Photovoltaik in der Energieversorgung weiterhin zunehmen und stellt somit einen wichtigen und wachsenden wirtschaftlichen Faktor dar. Auf das nationale Normal rückgeführte und verlässliche Zellwirkungsgrade mit geringsten Messunsicherheiten sind Grundvoraussetzung für einen fairen internationalen Wettbewerb im Photovoltaik-Markt. Des Weiteren streben alternative Solarzellenkonzepte auf den Markt (Dünnschichttechnologie, Rückkontaktsolarzellen, organische Photovoltaik), für die die erforderliche Messtechnik Bestandteil aktueller Forschung und Entwicklung ist. Um diesen großen Herausforderungen gerecht zu werden, wurde an der PTB ein neuartiger Laser-basierter Messplatz zur Bestimmung der differentiellen spektralen Empfindlichkeit (Laser-DSR) aufgebaut.
Der Laser-DSR Messplatz
Ausgehend von einem durchstimmbaren Ti:Saphir Laser und unter Ausnutzung nichtlinearer Prozesse (Lasersystem siehe Abb. 1) kann Licht mit hoher optischer Leistung in einem Spektralbereich von 200 nm bis 4000 nm erzeugt werden. Diese gepulste Laserstrahlung wird durch einen an der PTB entwickelten Konverter (PTB Patent Nr. 10 2010011615) in quasi-CW Strahlung umgewandelt, um mögliche Sättigungs- oder Nichtlinearitätseffekte in Empfängern zu vermeiden.
Abb. 1: Durchstimmbares Lasersystem am neuen Laser-DSR Messplatz.
Im Vergleich zu konventionellen Lampen und Monochromator-gestützten Messplätzen konnte somit eine um einen Faktor 100 bis 10.000 höhere Strahlungsleistung gemessen werden. Diese kann genutzt werden, um große und sehr homogene Strahlungsfelder zu erzeugen (siehe Abb. 2). Dies ist insbesondere von Bedeutung, da die Inhomogenität des Strahlungsfeldes beim bisherigen Strahler-gestützten DSR-Verfahren die größte Messunsicherheitskomponente darstellt. Die größeren Strahlungsfelder ermöglichen nun auch die Kalibrierung von großflächigen Solarzellen im Industriemaßstab (156 mm x 156 mm).
Abb. 2: Restinhomogenität eines 220 mm x 220 mm großen Strahlungsfeldes bei der Wellenlänge 800 nm. Gezeigt ist die Abweichung des Photostroms einer Photodiode mit der das Strahlungsfeld abgerastert wurde, normiert auf den Wert im Zentrum des Feldes.
Des Weiteren verfügt der neue Messplatz über einen stark erweiterten Parameterbereich. Die Solarzellen können nun Bias-Bestrahlungsstärken von 1 W/m² bis 10.000 W/m² ausgesetzt werden, um z.B. das Stark- und Schwachlichtverhalten von unterschiedlichen Solarzellentypen zu untersuchen. Ein Gonioradiometer (siehe Abb. 3) ermöglicht winkelabhängige Messungen aus dem gesamten Halbraum. Weiterhin kann die Strahlung in eine Klimakammer eingekoppelt werden, so dass Solarzellen bei Temperaturen von -60 °C bis 150 °C und relativen Luftfeuchten von 5 % bis 95 % untersucht werden können.
Abb. 3: X-Y-Z-Verschiebetisch mit ϑ, φ-Gonioradiometer
Literatur:
[1] S. Winter, T. Fey, I. Kröger, D. Friedrich, K. Ladner, B. Ortel, S. Pendsa, D. Schlüssel: “Laser-DSR Facility at PTB: Realization of a Next Generation High Accuracy Primary Calibration Facility” in “Proc. 27th European Photovoltaic Solar Energy Conf.”, (Frankfurt 2012), in press
[2] S. Winter, D. Friedrich, T. Fey, I. Kröger: „The concept of PTB's next generation solar cell and detector calibration facility”, in „Proceedings of NEWRAD 2011”, (Maui 2011), pp. 197-198