Modell für Langzeitverhalten von Dünnschicht-Solarmodulen aus Cadmiumtellurid

Ertragsmodelle erlauben Prognosen über die Performance von Solarmodulen im Betrieb, einschließlich möglicher Leistungseinbußen durch Alterung. Für Dünnschicht-Module aus Cadmiumtellurid (CdTe) haben das Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP und Calyxo (jetzt TS Solar GmbH) in einem gemeinsamen Projekt diese Modelle verbessert.

Datengraf einer Messung von Dünschichtmodulen auf dem Dach des Fraunhofer CSP
© Fraunhofer CSP

Messung und Datenanalyse von Photovoltaikmodulen auf dem Dach des Fraunhofer CSP.

Im Fokus der Forschungsarbeiten standen die Degradationsprozesse in Dünnschichtmodulen. Solche Leistungsänderungen treten beispielsweise auf, wenn erstmals Licht auf die Halbleiter trifft. Diese lichtinduzierte Degradation (LID) reduziert in den ersten Betriebswochen die elektrische Leistung, bevor sich die Werte dann wieder auf einem niedrigeren Niveau stabilisieren.

Hersteller reagieren auf LID, indem sie die möglichen Auswirkungen bereits einrechnen und als Modulleistung den Wert nach Auftreten dieser Anfangsverluste angeben. Umso wichtiger ist es für sie und die späteren Betreiber der Anlagen, die potenziellen Leistungsänderungen möglichst genau vorhersagen zu können. Basierend auf Labortests und Felduntersuchungen haben die Projektpartner dazu einen Beitrag geleistet. Die von ihnen entwickelten Analysealgorithmen stehen nun für die Bewertung und Analyse von Dünnschichtphotovoltaikanlagen bereit und ermöglichen es Modulherstellern, durch Prozessänderungen in der Produktion den Ertrag ihrer Module entsprechend optimieren zu können.

Durch die Auswertung von Freifelddaten verschiedener Anlagen wurden vor allem die Modultemperatur und die Bestrahlungsdauer als wesentliche Faktoren bei der Degradation identifiziert. Gerade in den Sommermonaten ist eine Leistungsabnahme festzustellen. Ergänzende Untersuchungen im Labor konnten die Ursache dieses Phänomens aufklären: Abhängig von der Umgebungstemperatur, der Einstrahlung und des Arbeitspunkts verschiebt sich der Zustand im Halbleiter im Sinne einer Gleichgewichtsreaktion. Dieses Verhalten erklärt die jahreszeitliche Schwankung der Leistungsfähigkeit der Module und ist essenziell für die Anlagenbewertung.

Für die Untersuchungen im Labor haben die Projektpartner zudem die Messverfahren speziell für CdTe-Module optimiert. So werden zur standardisierten Ertragsmessung beispielsweise Lichtblitze aus LED-Sonnensimulatoren eingesetzt. Hier wurden im Rahmen des Projekts der Einfluss der Blitzdauer und Messrichtung ermittelt und sinnvolle Parameter abgeleitet. Somit steht für die Industrie nun eine Methodik für eine zuverlässige Leistungsbestimmung auch mit dem Standard- und Produktionsequipment zur Verfügung.

Die Experten von TS Solar und Fraunhofer CSP machten sich dabei auch den Effekt zunutze, dass vergleichbare Veränderungen wie durch Lichteinwirkung bei LID durch Bestromung induziert werden können. Legt man ein elektrisches Feld an, treten im Halbleiter ähnliche Effekte auf. Ein exaktes Äquivalent zur Bestrahlung konnte jedoch nicht identifiziert werden, dazu sind weitere Forschungsarbeiten und Weiterentwicklung des Testequipments erforderlich.

Die Ergebnisse der Labortests konnten durch Modellrechnungen nachgebildet werden. Mit den vorhandenen Ergebnissen kann eine Abschätzung der Anfangsdegradation der Module vor dem Anschließen durchgeführt werden. Eine vollständige Modellierung der Metastabilität war im Rahmen des Projektes allerdings nicht möglich.