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Outdoormessplatz für die Solarzellenmetrologie

10.12.2013

An der PTB wurde ein neuer Outdoormessplatz entwickelt, um die Einflüsse unterschiedlicher Umgebungsbedingungen (Spektrum, Bestrahlungsstärke, Temperatur) auf den Kurzschlussstrom von Solarzellen zu untersuchen. Des Weiteren können verschiedene Einstrahlgeometrien eingestellt oder die Messebene zweiachsig zur Sonne nachgeführt werden. Erste Ergebnisse zeigen die Notwendigkeit der Korrektur einer spektralen Fehlanpassung selbst unter scheinbar perfekten Messbedingungen, sobald sich die relativen spektralen Empfindlichkeiten von zu prüfender Solarzelle und Referenzsolarzelle unterscheiden. Darüber hinaus werden die hier gewonnenen Erkenntnisse bei der Erweiterung der Norm IEC 60904 einfließen. 

Wirtschaftlicher Hintergrund

Derzeit existieren in Deutschland über 1,2 Mio. Photovoltaik (PV) - Anlagen. Für die eingebauten Module existieren Leistungsgarantien von 20 - 25 Jahren. In der Regel werden für Module 90 % Modulleistung nach 10 Jahren und 80 % Modulleistung nach 20 Jahren garantiert. Werden die garantierten Leistungen nicht eingehalten, kommt es oft zu Gerichtsverfahren. Allerdings gestalten sich Überprüfungen als schwierig, da entsprechende Ensemble von Messgeräten selbst unter optimalen Bedingungen eine Messgenauigkeit von insgesamt minimal ± 5 % aufweisen [1].

Der Outdoormessplatz

Um Einflussfaktoren auf Outdoormessungen zu untersuchen, wurde an der PTB ein neuer Outdoormessplatz zur Messung des Kurzschlussstromes von Referenzsolarzellen aufgebaut und erste Messungen durchgeführt. Dazu können auf einer wassergekühlten Grundplatte bis zu 15 Referenzsolarzellen verschiedenen Typs montiert werden. Der Messplatz kann die Grundplatte vollautomatisch zweiachsig zur Sonne nachführen, so dass die direkte Sonnenstrahlung senkrecht zur Grundplatte und somit zu den Solarzellen auftrifft. Die zweiachsige Nachführung wird auch genutzt, um gezielt verschiedene Einstrahlgeometrien einzustellen [2].

Darüber hinaus werden die anderen Kriterien zur Messung des Kurzschlussstromes unter Standardtestbedingungen (ISTC) berücksichtigt. Zu den Standardtestbedingungen (STC) gehören das Referenzspektrum (AM 1.5 Spektrum), die Bestrahlungsstärke von E = 1000 W/m² und die Temperatur der Referenzelle von T = 25 °C.

Abb. 1: Bild des Outdoormessplatzes der PTB mit montierten gefilterten und ungefilterten Referenzsolarzellen auf der wassergekühlten Grundplatte. Die Grundplatte kann gezielt verschiedene Einstrahlgeometrien einstellen oder die Messebene zweiachsig zur Sonne nachführen. Eine Monitorsolarzelle misst exakt zeitgleich zu den Referenzsolarzellen, um die zeitlich fluktuierende Bestrahlungsstärke für Korrekturen zu dokumentieren [2, 3].

Zur Berücksichtigung des Referenzspektrums wird mittels eines Si- und eines InGaAs-Array-Spektrometers das jeweils aktuelle Kosinus-gewichtete Sonnenspektrum gemessen. Die jeweilige Bestrahlungsstärke wird über eine an der PTB primär kalibrierte WPVS-Solarzelle bestimmt. Mittels der in den Zellen eingebauten Temperatursensoren erfolgt die Temperaturmessung. Zusätzlich wurde eine Kamera mit Weitwinkelobjektiv hinzugefügt. Damit ist es möglich, Wolken und weitere Störeinflüsse zu dokumentieren. Der Messplatz wurde erfolgreich in Betrieb genommen und eingesetzt [2, 4].

Die Ergebnisse zeigen, dass das Skalieren der Kurzschlussströme auf eine Bestrahlungsstärke von 1000 W nicht zwingend ausreicht und dass die Notwendigkeit einer spektralen Fehlanpassung besteht, sobald sich die relativen spektralen Empfindlichkeiten von der zu prüfenden Solarzelle und Referenzsolarzelle unterscheiden. Hierbei hat sich gezeigt, dass das Messen des Sonnenspektrums bessere Ergebnisse liefert als die theoretische auf dem Sonnenstand basierende Berechnungen [3, 4].

Hier gewonnene Erkenntnisse werden bei der Erweiterung der Norm IEC 60904 einfließen.

Solarzelle c-Si 1(Referenz)c-Si 2c-Si 3gefilterte c-Si
ISTC / mA140,03141,31140,535,65
Igemessen  / mA73,1572,7674,1317,92
I1000W / mA-139,29141,934,31
(I1000W-ISTC)/ISTC / %--1,41-3,8
Mber. Spektrum / mA-110,994
Iber. Spektrum / mA-139,3141,934,1
(Iber. Spektrum-ISTC)/ISTC / %--1,41-4,4
Mgem. Spektrum /mA-111,06
Igem. Spektrum /mA-139,23141,8736,36
(Igem. Spektrum-ISTC)/ISTC / %--1,512

Tab. 1: Beispiel eines Vergleiches ((I - ISTC) / ISTC) zwischen dem genauen, indoor mittels Differential Spectral Responsivity (DSR)-Methode [5, 6] kalibrierten ISTC mit den Ergebnissen von drei Korrekturmethoden für einen ausgewählten Zeitpunkt an einem leicht diesigen Tag [4]. Das AMx wurde zu dem Zeitpunkt aus der Sonnenposition zu AM 1.49 berechnet. Das berechnete Spektrum wurde mittels der Software SMARTS [7, 8] ermittelt.

Abb. 2: Vergleich des genauen, indoor kalibrierten ISTC mit den korrigierten Ergebnissen der Outdoormessungen für eine gefilterte c-Si Solarzelle [4].


Literatur:

[1]  Christian Keilholz: "Leistungsmessungen an PV-Generatoren aus Sachverständigensicht – Stand, Erfahrungen und Anregungen" in "Vortrag in der Physikalisch-Technische Bundesanstalt Braunschweig", (Braunschweig 2013)

[2]  Masterarbeit: "Untersuchung des Einflusses der Einstrahlungsbedingungen auf das Ergebnis von PV-Outdoorkalibrierungen", Thomas Walzak, Dezember 2012

[3]  T. Fey, T. Walzak, D. Friedrich, I. Kröger, D. Schlüssel, S. Winter: "Analyse der variierenden Einstrahlungsbedingungen auf Outdoor-PV-Messungen." in "DGaO-Proceedings: 114 (2013)", (Braunschweig 2013), ISSN 1614-8436

[4]  T. Fey, I. Kröger, D. Friedrich, D. Schlüssel und S. Winter: "Indoor- and outdoor measurements on various solar cells at the DSR- and the new outdoor facility of PTB" in "Proc. 28th European Photovoltaic Solar Energy Conf.", (Paris 2013), im Druck

[5]  J. Metzdorf, "Calibration of solar cells. 1: The differential spectral responsivity method," Appl. Opt. 26, 1701-1708 (1987)

[6]  S. Winter, T. Wittchen, J. Metzdorf: Primary Reference Cell Calibration at the PTB Based on an Improved DSR Facility; in "Proc. 16th European Photovoltaic Solar Energy Conf.", ed. by H. Scherr, B. Mc/Velis, E. Palz, H. A. Ossenbrink, E. Dunlop, P. Helm; Glasgow, (2000) James & James (Science Publ., London), ISBN 1 902916 19 0

[7]  C . Gueymard, "SMARTS, A Simple Model of the Atmospheric Radiative Transfer of Sunshine: Algorithms and Performance Assessment". Professional Paper FSEC-PF-270-95. Florida Solar Energy Center, 1679 Clearlake Road, Cocoa, FL 32922, 1995.

[8]  C. Gueymard, "Parameterized Transmittance Model for Direct Beam and Circumsolar Spectral Irradiance", Solar Energy, Vol. 71, No. 5, pp. 325-346, 2001.