Thermografie in der Photovoltaik-Industrie
Die Thermografie kann einen wichtigen Beitrag bei der Entwicklung und Fertigung von Solarzellen und Modulen sowie bei der Inspektion von Solaranlagen leisten. Das Prüfverfahren wird eingesetzt zum
Effizienten Aufspüren von Leistungsverlusten in Zellen und Modulen
Erkennen fehlerhafter Zellen und Module
Berührungslosen und zerstörungsfreien Analysieren von Solarzellen aller Typen (TOPCon, Hetero Junction, PERC, BC etc.)
Die Steigerung der Effizienz von Solarzellen ist eines der wichtigsten Anliegen der Photovoltaikforschung. Neuere Entwicklungen gehen mit zunehmend komplexeren, mehrlagigen Zellstrukturen einher. Mittels aktiver Thermografie lassen sich die einzelnen Ebenen der Solarzellen zerstörungsfrei prüfen und Fehler anhand von Hotspots erkennen.
Lock-In-Thermografie an Solarzellen
Die passive Thermografie – eine bewährte Methode zur Funktionskontrolle und Charakterisierung großer Solarmodule – kommt bei der kontinuierlichen Überwachung der Produktion sowie bei der Forschung und Entwicklung von Solarzellen schnell an ihre Grenzen. Mit dem Verfahren der Lock-In-Thermografie in Kombination mit leistungsfähigen Thermografiekameras lassen sich hingegen Temperaturunterschiede im Mikrokelvin-Bereich detektieren. Diese lokalen Erwärmungen werden bei kontaktloser (Light Modulated Lock-in Thermography, LimoLIT) oder kontaktierter (Voltage-modulated Lock-In Thermography, VomoLIT) periodischer Anregung des Prüfobjektes durch Zelldefekte hervorgerufen.
Entscheidend für die Effizienz und damit den Wirkungsgrad einer Solarzelle ist der sogenannte Dunkelstrom. Dieser Verluststrom, der die Effizienz der Solarzelle negativ beeinflusst, wird vor allem durch thermisch angeregte Ladungsträger im Halbleitermaterial verursacht, die über die Raumladungszone der pn-Übergangsdiode hinweg diffundieren – entgegengesetzt zur Richtung des Photostroms.
Ursachen für hohe Dunkelströme sind zum Beispiel Materialfehler, Verunreinigungen, Oberflächen- oder Randdefekte. Auch Mängel bei der Passivierung, die insbesondere bei PERC-Solarzellen (Passivated Emitter and Rear Cell) eine große Rolle spielen, sind mit erhöhten Dunkelströmen verbunden.
Thermografische Untersuchungen an Solarzellen haben gezeigt, dass Dunkelströme praktisch nie homogen auf der ganzen Fläche der Zelle auftreten. Es gibt Bereiche mit niedrigen Dunkelströmen und Stellen, an denen diese lokal erhöht sind, oft um einen Faktor 10 bis zu 1.000. Diese Bereiche mit hohen Dunkelströmen werden als Shunts bezeichnet. Die Lock-In-Thermografie ermöglicht es, solche Shunts in Solarzellen zu erkennen und quantitativ zu beurteilen.
Eine zentrale Rolle bei deren Erkennung kommt der eingesetzten Thermografie-Software zu. Sie erlaubt zum einen die Einstellung wichtiger Prüfparameter wie Anregungs- und Aufnahmefrequenz oder der Anregungsamplitude, zum anderen ermöglicht sie die Auswertung mit den diversen Algorithmen der aktiven Thermografie, den Vergleich der Messdaten und die Speicherung der Ergebnisse. Mit den gewonnenen Informationen können die entsprechenden Defekte lokalisiert und Ursachen für Leistungsverluste eingegrenzt werden.
Vorteile der Lock-In-Thermografie zur Qualitätsanalyse an Solarzellen und -modulen
Zuverlässige Defekterkennung (Shunts), z. B. von Dunkelströmen, an Solarzellen und -modulen per Lock-In-Thermografie
Untersuchung von Messobjekten mit Strukturen bis hin zu wenigen µm Größe und einer thermischen Auflösung im Mikrokelvin-Bereich
Erkennung und exakte Lokalisierung auch von schwächeren lokalen Shunts durch Verringerung des Einflusses der seitlichen Wärmeausbreitung (Silizium ist ein guter Wärmeleiter)
Für die detaillierte Untersuchung von Solarzellen bietet InfraTec das automatisierte Thermografiesystem PV-LIT an, welches für alle Typen und Formate von Solarzellen und -modulen genutzt werden kann. Die Anregung erfolgt elektrisch oder kontaktlos mit Licht.
Thermografie zur Kontrolle von Photovoltaikanlagen
Außer zur Untersuchung der einzelnen Solarzellen, kann die Thermografie auch zur Inspektion ganzer PV-Anlagen eingesetzt werden. Um diese flächendeckend auf Hotspots hin zu untersuchen, sind in der Regel mobile Geräte erforderlich. Im Gebäudesektor kommen für die kleinen und mittleren Photovoltaikanlagen meist einfache Wärmebildkameras zum Einsatz mit entsprechend geringer thermischer Auflösung. Bei Solarparks kann es sich hingegen auch lohnen, hochwertige Thermografiekameras an Drohnen oder Hubschraubern zu installieren und die Modulflächen beim Überflug zu prüfen.
Sinnvoll ist die regelmäßige Kontrolle auf jeden Fall: Wie alle technischen Einrichtungen unterliegen Photovoltaikanlagen einer Alterung, der sich meist in Form von Hotspots äußert. Ursachen für diese deutlich wärmeren Bereiche im Modul oder in einzelnen Solarzellen sind oft mechanische Beschädigungen (z. B. Risse in den Leiterbahnen) aber auch Delaminationsprozesse, bei denen sich der feste Verbund aus Solarzellen und Verkapselung auflöst. Die defekten Bereiche wirken als ohmscher Widerstand. Fließt der von den Nachbarzellen produzierte Strom hindurch, wird die elektrische Energie in Wärme umgewandelt. Mittels Thermografie lassen sich die daraus resultierenden Temperaturerhöhungen messen.
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