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Kalibrierung von großflächigen Solarzellen und Rückkontaktsolarzellen

09.12.2013

Im Rahmen einer Zusammenarbeit mit dem Institut für Solarenergieforschung Hameln wurde an der PTB ein laserbasierter Differential Spectral Response (Laser-DSR) Messplatz zur primären Kalibrierung von großflächigen Solarzellen und Rückkontaktsolarzellen aufgebaut. Es konnte der Kurzschlussstrom von Standard Industriesolarzellen unter Standardtestbedingungen (156 mm x 156 mm) mit einer Messunsicherheit bis herab zu 0,5 % bestimmt werden. Die Kalibrierung von großflächigen Referenzsolarzellen wird zukünftig als Dienstleistung der PTB angeboten werden. 

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 wachsenden wirtschaftlichen Faktor dar. Auf das nationale Normal rückgeführte und verlässliche Photozellenwirkungsgrade mit geringsten Messunsicherheiten sind Grundvoraussetzung für einen fairen internationalen Wettbewerb im Photovoltaik-Markt. Als Transfernormale für die Bestrahlungsstärke werden bislang verkapselte Referenzsolarzellen im WPVS-Design (World PhotoVoltaic Scale) mit einer Zellgröße von ca. (20 x 20) mm² verwendet. Die PTB erreicht bei der Kalibrierung des Kurzschlussstromes unter Standardtestbedingungen die weltweit niedrigste Messunsicherheit von ca. 0,5 %. Aus den deutschen Prüf- und Kalibrierlaboratorien wurde an die PTB vielfach der Wunsch nach Kalibrierdienstleistungen für großflächige Referenzsolarzellen herangetragen, die die gleichen Maße wie  Industriesolarzellen besitzen (156 x 156) mm². Im Rahmen des "PRECISE"-Projektes wurde nun ein laserbasierter Differential Spectral Response (Laser-DSR) Messplatz zur primären Kalibrierung von großflächigen Solarzellen und Rückkontaktsolarzellen aufgebaut.

Der Laser-DSR Messplatz

Das Lasersystem basiert auf einem durchstimmbaren Ti:Saphir Laser und mehreren Systemen zur Frequenzkonversion (mit der 2., 3. und 5. Harmonischen und mit einem optisch parametrischen Verstärker), so dass monochromatische Strahlung mit sehr hoher optischer Leistung im gesamten Spektralbereich von  200 nm – 4000 nm erzeugt werden kann. Die Laseroptik wurde in acht kompakten Strahlengängen mit einer minimalen Anzahl an Spiegeln realisiert. Am Ende laufen alle Strahlengänge in einem Punkt zusammen, um dort in eine spezielle Glasfaser (Puls-zu-CW Konverter, PTB Patentnr. 10 2010 011 615) eingekoppelt zu werden.

Anschließend wurde ein optischer Aufbau bestehend aus einem Monochromator, Diffusoren und einer nachführbaren abbildenden Linsenoptik aufgebaut. Dadurch ist es möglich aus der Laserstrahlung monochromatische Strahlungsfelder mit geringer spektraler Bandbreite und sehr guter Homogenität auf großen Flächen (156 x 156) mm² bei zugleich ausreichender Bestrahlungsstärke bereitzustellen. Die monochromatische Strahlungsleistung hinter der Optik ist je nach Wellenlänge um drei bis fünf Größenordnungen größer im Vergleich zum konventionellen strahlergestützten DSR-Messplatz. Darüber hinaus wurden Bias-Strahler entwickelt, die in jeder Messebene Bias-Bestrahlungsstärken von 0-1200 W/m² ermöglichen.

Abb. 1: Der neue Laser-DSR Messplatz bestehend aus Lasersystem (unten rechts), Abbildungsoptik (Mitte) und xyz-θφ-Verschiebetisch (oben links).

Kalibrierung von großflächigen Solarzellen

In Kooperation mit dem Institut für Solarenergieforschung Hameln (ISFH) und der Firma pv-tools GmbH wurden Messblöcke für unverkapselte großflächige Industriesolarzellen und für Rückkontaktsolarzellen sowie ein rauscharmer Messverstärker für Stromstärken bis 10 A entwickelt. Die Messblöcke verwenden eine Vakuum-Ansaugung zur Halterung der Solarzellen. Dies vermeidet Abschattungseffekte durch Halterungsklemmen. Das spezielle Design der Kanäle des Messblockes für Rückkontaktsolarzellen gewährleistet ein gleichmäßiges Anpressen der Rückkontakte. Die Kontaktierung der frontseitigen Busbars erfolgt über Kelvinspitzen. Beide Messblöcke sind temperierbar und verfügen über integrierte Temperatursensoren.

Abb. 2: Messblock für Industriesolarzellen mit Größen zwischen (20 x 20) mm² und (210 x 210) mm².

Zum Ende des Projektes konnte die spektrale Empfindlichkeit großer Standard-Industriesolarzellen ((156 x 156) mm² Solarzellen) primär kalibriert werden. Für den Kurzschlussstrom unter Standardtestbedingungen betrug dabei die Messunsicherheit 0,5 %. Der erfolgreiche Abschluss des Projektes ermöglicht die Kalibrierung von großflächigen Referenzsolarzellen als zukünftige Dienstleistung der PTB.


ACKNOWLEDGEMENT

Diese Arbeit wurde gefördert vom Europäischen Fond für regionale Entwicklung. (“Europa fördert Niedersachsen”) sowie vom Bundesland Niedersachsen.

Literatur:

[1]      S. Winter, T. Fey, D. Friedrich, I. Kröger, K. Ladner, B. Ortel, S. Pendsa, D. Schlüssel, F. Witt: “Laser-DSR: Hochgenaue spektrale Kalibrierung von Empfängern mit Hilfe von Laserstrahlung.”; DGaO-Proceedings: 114, (Braunschweig 2013), Online only

[2]      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”; 27th European Photovolatic Solar Energy Conference and Exhibition: Proceedings, (Frankfurt 2012), 3049-3051, ISBN 3-936338-28-0