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Wie viel Strom liefert eine Solarzelle?

An einem neuartigen Messplatz kalibriert die PTB Referenzsolarzellen für reale Bedingungen

PTB-News 3.2016
01.09.2016
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Hersteller von Solarzellen

Betreiber von Solaranlagen

Herkömmliche Messverfahren für die Bestimmung der Leistung von Solarzellen erlauben nur schwer Ertragsprognosen unter realen Einsatzbedingungen. In der PTB ist es gelungen, an einem neuartigen Messplatz mittels eines laserbasierten spektralen Messverfahrens Solarzellen so umfassend zu charakterisieren, dass sich ihr Ertrag für jede beliebige klimatische Bedingung berechnen lässt. Zudem ermöglicht dieser Messplatz die Kalibrierung von Referenzsolarzellen unter den etablierten Standard-Testbedingungen (STC) mit einer weltweit einmaligen Messunsicherheit von weniger als 0,4 Prozent.

In diesem PTB-Labor werden Solarzellen mit Weißlicht sowie einfarbigem Licht (durch die Öffnung in der Mitte) bestrahlt und kalibriert.

Da der Markt für erneuerbare Energien boomt, wird es künftig immer wichtiger, die Leistungsfähigkeit von Solarzellen zu vergleichen, denn sie unterscheiden sich hinsichtlich ihres Wirkungsgrades. Die Zelle eines Herstellers kann bei einer bestimmten Sonneneinstrahlung (Bestrahlungsstärke) eine höhere elektrische Leistung erzielen als die vergleichbare Zelle eines anderen Herstellers. Während sich hierbei die elektrische Leistung relativ einfach messen lässt, ist die Bestimmung der Bestrahlungsstärke deutlich schwieriger. Dafür kalibriert die PTB Referenzsolarzellen, deren Kurzschlussstrom ein Maß für die Bestrahlungsstärke darstellt. Der Kurzschlussstrom ist die größtmögliche Stromstärke, die ein Modul oder eine Zelle erzeugen kann. Die Kalibrierung läuft unter Standard-Testbedingungen (STC) ab, also unter Bestrahlung mit einem genormten Sonnenspektrum, mit 1000 Watt pro Quadratmeter und einer Solarzellentemperatur von 25 °C. Allerdings variiert das Spektrum des Sonnenlichts in der Realität je nach Tages- und Jahreszeit sowie nach Atmosphärenzusammensetzung; außerdem unterscheiden sich Temperatur, Einfallswinkel und Bestrahlungsstärke je nach Einsatzort der Solarzellen.

Um Ertragsprognosen für die weltweit verwendeten Zellen ermitteln zu können, hat die PTB ihren Solarzellen-Messplatz erweitert. Für die Vergleichsmessungen wird das sogenannte Differential- Spectral-Responsivity-(DSR)-Verfahren verwendet, das jüngst zum Laser-DSRVerfahren weiterentwickelt wurde. Damit lässt sich der Ertrag für jede beliebige klimatische Bedingung berechnen, beispielsweise für Solarzellen-Temperaturen zwischen 15 °C und 75 °C und eine Bestrahlungsstärke von 0 W/m2 bis über 1100 W/m2. Zudem lassen sich die Wellenlänge und der Einfallswinkel des Lichts variieren. Alle diese Messungen erlauben schließlich einen Vergleich der Leistungsfähigkeit verschiedener Solarzellen.

Bei herkömmlichen (lampenbasierten) DSR-Verfahren wird Weißlicht mittels eines Monochromators in einzelne Wellenlängen zerlegt, zeitlich moduliert und durch eine Optik auf die Solarzelle gelenkt. So lassen sich alle Farben von ultratviolettem bis infrarotem Licht einstellen. Gleichzeitig wird die Zelle mit weißem Licht bestrahlt, denn nur so werden die für die Messung benötigten 1000 W/m2 erreicht. Doch der durch Weißlicht erzeugte Strom ist um bis zu eine Milliarde Mal größer als der durch einfarbiges Licht erzeugte Strom und stört die Messung des kleinen Stroms. Mittels des laserbasierten DSR-Verfahrens ist es gelungen, den Störfaktor je nach Wellenlänge um das 100- bis 10 000-fache zu reduzieren. Damit wurde die gesamte Messunsicherheit auf den Rekordwert von weniger als 0,4 % verbessert. Ein weiterer Vorteil: Bisher konnten nur Referenzsolarzellen einer Größe von 20 mm × 20 mm kalibriert werden. Dies ist jetzt bis zu einer Größe von bis zu 15 cm × 15 cm möglich. Das erweiterte Portfolio der Kalibrierdienstleistungen mit den geringeren Messunsicherheiten wird an die Prüfund Kalibrierlaboratorien weitergegeben und ermöglicht dort eine genauere Rückführung.

Ansprechpartner

Ingo Kröger
Fachbereich 4.1 Photometrie und angewandte Radiometrie
Telefon: (0531) 592-4147
Opens window for sending emailingo.kroeger(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

S. Winter, T. Frey, I. Kröger, D. Friedrich, K. Ladner, B. Ortel, S. Pendsa, F. Witt: Design, realization and uncertainty analysis of a laser-based primary calibration facility for solar cells at PTB. Measurement 51, 457–463 (2014)