TEC-Institut für technische Innovationen

Ermittlung des Temperaturverhaltens verschiedener Photovoltaik-Zellenarten

Autor: Dipl.-Ing. (FH) Eberhard Zentgraf Elektroingenieur
Im TEC-Institut für technische Innovationen
An Planung, Aufbau, Messungen und Auswertung beteiligtes
wissenschaftliches Team: E. Zentgraf, Moritz Göde

Inhaltsverzeichnis:
1. Vorwort: Anlass der Untersuchungen
2. Vorüberlegungen zu den Versuchsaufbauten
2.1. Auswahl geeigneter Zellen bzw. Kleinmodule für Laboraufbauten
2.1.1. Kleinstmodule polykristallin und amorph
2.1.2. Module im Labormaßstab, monokristallin, polykristallin,
Dünnschicht (amorph/ Folie)
2.2. Aufbau und Durchführung der Versuche
2.2.1. Messungen mit polykristallinen und amorphen Kleinstmodulen
2.2.2. Messungen mit monokristallinen, polykristallinen und
Dünnschichtmodulen (amorph/ Folie) im Labormaßstab
3. Interpretation der Ergebnisse der Untersuchungen
3.1. bei polykristallinen und amorphen Kleinstmodulen
3.2. bei monokristallinen, polykristallinen und Dünnschicht-Modulen
(amorph/Folie) im Labormaßstab
4. Equipment

1. Vorwort: Anlass der Untersuchungen
In gängiger Fachliteratur sind immer wieder unterschiedliche Angaben zur Leistungsabgabe der verschiedenen Photovoltaikzellen- bzw. Modularten in Abhängigkeit von der Modultemperatur zu finden. Daher beschlossen wir diese Problematik durch eigene Labormessungen zu untersuchen.

2. Vorüberlegungen zu den Versuchsaufbauten

2.1. Auswahl geeigneter Zellen bzw. Kleinmodule für
Laboraufbauten

2.1.1. Kleinstmodule polykristallin und amorph

Für Untersuchungen im Kleinstmaßstab standen uns folgende polykristallinen und amorphen Kleinstmodule zur Verfügung:

Abb. 1: polykristallines (links) und amorphes (rechts) Kleinmodul mit 500W-Strahler

Zum Erwärmen/Erhitzen der Kleinstmodule wurde ein 500WStrahler, im Abstand von 20cm vor den Modulen, verwendet welcher gleichzeitig als Lichtquelle für die Module wirkte (siehe
auch Abb. 1). Uns ist dabei bewusst, dass dieser Strahler nicht das Sonnenlichtspektrum AM 1,5 umfasste, jedoch genügte er völlig für eindeutige Aussagen zu unseren Messreihen.

2.1.2. Module im Labormaßstab, monokristallin, polykristallin,
Dünnschicht (amorph/Folie)
Um von den Kleinstmaßstäben weg zu kommen untersuchten wir auch Module deren geometrische Ausmaße ca. um den Faktor 6 größer (als unter Punkt 2.1.1.) waren, aber immer noch einen „handlichen“ Labormaßstab aufwiesen. Hierbei handelt es sich um:

Abb. 2: Von rechts nach links: monokristallin, polykristallin, amorph (Glas), nanokristallin (Folie)


Zur Erwärmen/Erhitzen dieser, etwas größeren, Aufbauten verwendeten wir einen 3000W-Strahler, welcher ebenfalls gleichzeitig als Lichtquelle wirkte; abweichend vom Spektrum AM
1,5, jedoch mit genügender Aussagekraft für die Messergebnisse.
Siehe auch Abb. 3.

Abb.3

2.2. Aufbau und Durchführung der Versuche

2.2.1. Messungen mit polykristallinen und amorphen
Kleinstmodulen (siehe Abb. 1)

Jeweils in der Mitte eines Kleinstmoduls wurde ein
Temperatursensor Pt100 (welcher zuvor kalibriert wurde) mit
optimal möglicher Kontaktfläche aufgeklebt.

Die Kleinstmodule wurden mit Nennlast betrieben, d.h. an jedes Modul wurde ein ohmscher Widerstand angeschlossen, welcher einen Verbraucher simulierte. Die Berechnungen ergaben:

- 100 ohm für das amorphe Dünnschicht-Kleinstmodul
- 50 ohm für das polykristalline Kleinstmodul

Im Abstand von 20cm wurde vor der Modulanordnung (siehe Abb.1) der 500W-Strahler betrieben. Die Diagramme Abb. 4 und Abb. 5 zeigen das Verhalten während der Testdurchläufe.

Nach dem Einschalten des 500W-Srahlers steigen folglich die Temperaturen der Kleinstmodule an (ca. 40-minütige Phase). Spannung und Leistung des polykristallinen Moduls erhöhen sich zunächst auch, knicken jedoch bei ca. 68° ein. Ein solches Einknicken ist beim amorphen Dünnschicht-Kleinstmodul nicht zu erkennen. Nach Beendigung der ca. 40-minütigen Erwärmungsphase wurden die beiden Kleinstmodule gekühlt, in dem diese von vorne (schräg von unten) mit einem Lüfter angeblasen wurden. Sofort gingen die Temperaturen der Moduloberfläche der beiden Kleinstmodule zurück. Ebenfalls sofort erhöhten sich wieder Spannung und Leistung des polykristallinen Kleinstmoduls. Im Gegensatz dazu gingen Spannung und Leistung beim amorphen Dünnschicht-Kleinmodul zurück.

2.2.2. Messungen mit monokristallinen, polykristallinen und
Dünnschicht-Modulen (amorph/Folie) im Labormaßstab
Auch bei diesen Messungen wurde jeweils wieder ein kalibrierter Pt100-Temperatursensor in die Mitte jeder Moduloberfläche geklebt. Ebenfalls im Abstand von 20cm vor dem Modul wurde ein 3000W-Strahler betrieben, siehe auch Abb. 3 sowie Abb. 6, Abb.7 und Abb. 8.

Abb. 6: monokristallines Modul mit 3000W-Strahler

Abb. 7: amorphes Dünnschichtmodul mit 3000W-Strahler

Abb. 8: Folienmodul (nanokristallin) mit 3000W-Strahler

Bei den Tests dieser Module (Abb. 3/6/7/8) wurden sowohl Messreihen mit Nennbelastungen (ohmschen Nennwiderständen), als auch mit halbierten Nennbelastungen (doppelte Nennwiderstände) durchgeführt. Die halbierten Nennbelastungen dienten zu Untersuchungen im Teillastbereich.

Zunächst wurden die Tests im Nennlastbetrieb durchgeführt (Siehe Abb. 9 bis Abb. 16)
- monokristallin, Sunset (Nennlast siehe Abb. 9 und Abb. 10)

Nach Einschalten des 3000W-Strahlers erhöhen sich mit zunehmender Temperatur zunächst Spannung und Leistung und gehen ab 66°C (Modulobeflächentemperatur) zurück.
Beim Anblasen mit einem Lüfter kühlt das Modul ab, Spannung und Leistung erhöhen sich wieder.

Mono SM10, Nennbelastung

- polykristallin, bp Solar (Nennlast siehe Abb. 11 und Abb. 12)

Nach dem Einschalten des 300W-Strahlers erhöhen sich mit zunehmender Temperatur ebenfalls Spannung und Leistung und gehen erst ab ca. 85°C zurück. Durch Lüfterkühlung steigen sowohl Spannung als auch Leistung wieder an.

- amorph, No Name (Nennlast siehe Abb. 13 und Abb. 14)

Nach dem Einschalten des 3000W-Strahlers erhöhen sich mit zunehmender Temperatur sowohl Spannung als auch Leistung. Es erfolgt dabei kein Rückgang der beiden Größen.
Erst durch Lüfterkühlung gehen Spannung und Leistung entsprechend zurück.

- Folie (nanokristallin), Unisolar (Nennlast, siehe Abb. 15 und Abb. 15a)

Nach dem Einschalten des 3000W-Strahlers erhöhen sich mit zunehmender Temperatur sowohl Spannung und Leistung, wenn auch nur gering. Es erfolgt dabei kein Rückgang der beiden Größen. Auch hier gehen erst durch Lüfterkühlung Spannung und Leistung entsprechend zurück.

Die nachfolgenden Tests erfolgen im Teillastbereich (bei halber Nennlast, doppeltem Nennwiderstand)

- monokristallin, Sunset (doppelter Nennwiderstand, siehe Abb. 16 und 17) In diesem Fall sinken Spannung und Leistung bei steigender Temperatur sofort ab. Lüfterkühlung bewirkt
einen erneuten Anstieg von Spannung und Leistung

- polykristallin, bp Solar (doppelter Nennwiderstand, siehe Abb. 18 und Abb. 19)

Auch hier sinken Spannung und Leistung bei steigender Temperatur sofort ab. Lüfterkühlung bewirkt einen erneuten Anstieg von Spannung und Leistung.

- amorph, No Name (doppelter Nennwiderstand, siehe Abb. 20 und Abb. 21)

Mit steigender Temperatur steigen auch Spannung und Leistung zunächst leicht an, bleiben dann jedoch stabil. Bei 86°C erfolgt ein deutlicher Rück sprung, welcher erst wieder bei unterschreiten der 86°C ver schwindet. Spannung- und Leistungskurve bleiben unterhalb von 86°C sehr stabil.

- Folie (nanokristallin) Unisolar (doppelter Nennwiderstand, siehe Abb. 22 und Abb. 23) Sowohl in der Anwärm-, als auch in der Abkühlungsphase ändern Spannung und Leistung relativ wenig.

3. Interpretation der Ergebnisse der Untersuchungen

3.1. Bei polykristallinen und amorphen Kleinstmodulen
Die Abb. 4 und Abb. 5 belegen ganz klar, dass das Dünnschicht-Kleinstmodul aus amorphem Silizium im Nennlastbetrieb keine temperaturbedingten Spannungs- bzw. Leistungsrückgänge bei hohen Temperaturen aufweist, sogar bei Temperaturen von 93°C.

Das polykristalline Kleinstmodul im Nennlastbetrieb zeigt bei Temperaturen oberhalb von 68°C sehr deutliche Spann ungs- und Leistungsrückgänge.

3.2. Bei monokistallinen, polykristallinen und Dünnschichtmodulen (amorph/Folie) im Labormaßstab

Wie aus den Abb. 9 bis Abb. 23 zu ersehen ist, verhalten sich bei Nennbelastung die einzelnen Zellenarten so, wie es nach den bereits unter Punkt3.1 beschriebenen Ereignissen zu erwarten war.
Allerdings sind die Auswirkungen im Teillastbereich (hier bei doppeltem Nennwiderstand) wesentlich heftiger. So gehen bei den kristallinen Modulen Spannung und Leistung sofort mit beginnender Erwärmung zurück, während beim amorphen Dünnschichtmodul und dem Folienmodul auch im Teillastbereich Spannung und Leistung relativ stabil bleiben. Beim amorphen Dünnschichtmodul erfolgt jedoch bei einer Modultemperatur von 86°C ein (wenn auch reversibler) Rücksprung. Die Ursache hierfür konnte noch nicht ermittelt werden. Allerdings werden solche Modultemperaturen in unseren Breiten unter Realbedingungen
nicht erreicht.

4. Mess-Equipment

Waldaschaff, 07.08.09
Eberhard Zentgraf
Dipl.-Ing. (FH) Elektrotechnik