Metrologie für die Energiemeteorologie Kalibrierkette in der Photovoltaik

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1 Metrologie für die Energiemeteorologie Kalibrierkette in der Photovoltaik Stefan Winter Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB), Braunschweig & Berlin Leiter der Arbeitsgruppe 4.14 Solarzellen - 1- Metrologie: Wissenschaft und Anwendung des richtigen Messens Rückführung der Messwerte auf das SI über nationale Normale Bestimmung der Messwerte mit Messunsicherheitsbetrachtung PTB: Nationales Metrologieinstitut Bundesministerium für Wirtschaft und Technologie (BMWi) 1900 Mitarbeiter 140 Mio. Budget - 2-1

2 Standort Braunschweig Abteilungen: Mechanik und Akustik Elektrizität Chemische Physik und Explosionsschutz Optik Fertigungsmesstechnik Ionisierende Strahlung Wissenschaftlich-technische Querschnittsaufgaben Verwaltungsdienste Präsidium Physikalisch-Technische Bundesanstalt Hauptstandort Braunschweig (ca Mitarbeiter in Braunschweig) - 3- Standort Braunschweig Arbeitsgruppe Solarzellen Forschungsschwerpunkte: Metrologische Rückführung auf SI Charakterisierung von Solarzellen World Photovoltaic Scale (WPVS) Messtechnik für neue Technologien, z.b. organische PV Foto: Angimar, Braunschweig Mitarbeiter: 3,5 + 2 Physikalisch-Technische Bundesanstalt Hauptstandort Braunschweig - 4-2

3 Metrologische Einbindung Kalibr.-Kosten in Euro Unsicherheit (k=2) > 0,5 % > 1,5 % Kalibrierlaboratorien PV- Industrie - 5- Typische Kunden 75% Kalibrier-Laboratorien 20% Industrie 5% Forschungslaboratorien, Hochschulen - 6-3

4 Inhalt 1. Aufgabe und Grundlagen 2. Kalibrierverfahren 3. DSR-Verfahren der PTB 4. Qualitätssicherung durch Rückführung und Äquivalenz 5. Zusammenfassung und Ausblick - 7- Aufgabe: Genaue Bestimmung des Wirkungsgrads einer Solarzelle Optische Leistung Wirkungsgrad Elektrische Leistung - 8-4

5 Wirkungsgrad einer Solarzelle AM1.5 P P elektrisch optisch VOC ( I ) FF( I ) I E A STC STC STC STC Solarzelle Messung der Strom-Spannungs-Kennlinie unter Standard-Testbedingungen STC benötigt wird i. W. nur I STC der Kurzschlussstrom unter STC, denn die Kennlinienform ist für c-si praktisch nicht vom Spektrum abhängig - 9- Spezifikation der Messbedingungen STC: Standard Test Conditions Referenz-Sonnenspektrum AM1,5 (AM0) Bestrahlungsstärke E STC = 1000 W/m² (10 W Strahlungsleistung auf eine Zelle von 10 cm x 10 cm) Zellentemperatur (25 C) Winkelabhängigkeit

6 Metrologischer Hintergrund Referenz-Sonnenspektrum auf der Erde (AM1.5) und im Weltall (AM0) Spectral irradiance E / mw m -2 nm AM0 (NASA) AM1.5 (IEC) Wavelength / nm Absolute spectral responsivity, s / AW -1 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Spektrale Empfindlichkeit verschiedener Solarzellen Photon energy / ev = 100% a-si c-si GaInAs CdTe Poly-Si GaInP CIS Ge Component Cell Wavelength / nm Photostrom: I E ( ) s( )d I(, E,,, T) E,, ) s(, E,,, T) d ,Norm (,Norm Referenz Sonnenspektrum AM1.5 Spectral irradiance E () / mw m -2 nm AM1.5 IEC : 1989 AM1.5 IEC : Wavelength / nm

7 Folge der Änderung des AM1.5-Spektrums Inhalt 1. Aufgabe und Grundlagen 2. Kalibrierverfahren 3. DSR-Verfahren der PTB 4. Qualitätssicherung durch Rückführung und Äquivalenz 5. Zusammenfassung und Ausblick

8 DSR-Messverfahren der PTB DSR = Differential Spectral Responsivity Bias-Strahlung E b Modulierte monochromatische Strahlung E() Solarzelle I b I sc (E b ) DC-Multimeter + Lock-In-Verstärker Nichtlinearität einer einkristallinen Silizium-Solarzelle ~ s (, E b) / ma m 2 W -1 0,20 ~ s (0, E 0 ) 0,15 0,10 0,05 Solarex ref. solar cell, 25 C I sc I STC I b =0 (with bias light) I b = I STC , Wavelength / nm

9 Solarzellenkalibrierapparatur in der PTB (210 nm 1900 nm) Absolute spectral responsivity s( 0 ) movable solar cell Relative spectral responsivity (210 nm nm) x y z DSR-Verfahren mit 3 Grundprinzipien der Spektroradiometrie: Substitutionsverfahren Monitorstabilisierung monitor photodiode Hg lamp 4 bias lamps with dichroic mirrors for absolute calibration narrow band filter set chopper f = 125 mm beam splitter aperture condensor lens 36 bias lamps with dichroic mirrors for relative calibration shutter monitor photodiode Trennung von Absolutu. Relativmessung FEL lamp Xe lamp Hg lamp chopper monochromator with triple grating turrets DSR-Messplatz (ohne Abschirmung)

10 DSR-Messplatz (ohne Abschirmung) Inhalt 1. Aufgabe und Grundlagen 2. Kalibrierverfahren 3. DSR-Verfahren der PTB 4. Qualitätssicherung durch Rückführung und Äquivalenz 5. Zusammenfassung und Ausblick

11 Photovoltaik-Kalibrierkette der PTB Laser Kryoradiometer P Strom- und Spannungsmessung < 0,01% Legende: Strahlungsquelle Empfänger Empfängernormal s 0,1% Apparatur Monochromatische + Biasstrahlung DSR Apparatur Referenzsolarzelle s STC 0,5% Sonne(nsimulator) Kennlinienmessung PV-Modul STC Kryoradiometer das nationale Normal zur Messung der optischen Strahlungsleistung Substitution der Strahlungsleistung durch elektrische Leistung Messunsicherheit: 10-5 Reflexionsgrad: Empfindlichkeit: 1K/mW Zeitkonstante: 10 s Temperatursensoren (Ge) Wärmesenke flüssiges Helium Dünnfilmheizer Wärmebrücke Laserstrahl Brewster- Fenster Hohlraumabsorber (Cu) Schwarzlack

12 Internat. Äquivalenz über Vergleiche: CCPR; WPVS CCPR Laser Kryoradiometer P Strom- und Spannungsmessung 0,01% Legende: Strahlungsquelle CCPR Empfängernormal s 0,1% Empfänger Apparatur Monochromatische + Biasstrahlung DSR Apparatur WPVS Referenzsolarzelle s STC 0,5% Sonne(nsimulator) Kennlinienmessung PV-Modul STC Realisierung und Bewahrung der World Photovoltaic Scale PTB NREL 11 Institute <=> 20 Referenzzellen: Amerika:NREL, SNL Europa: PTB, ISE, VNIIOFI, LCIE, ESTI Asien: AIST, TIPS, NIM, IACS TIPS AIST Primäre Kalibrierung im +/- 2 % Band vom Referenzwert

13 Zusammenfassung Aufgrund des rapide steigenden PV-Marktes erlangt die zuverlässige Rückführung von Solarzellen eine immer wichtigere Bedeutung. Es gibt zwei komplementäre Kalibrieransätze a) die direkte Messung b) die detaillierte spektrale Charakterisierung Die WPVS verbessert die internationale Äquivalenz zwischen verschiedenen Laboratorien, die unterschiedliche Kalibrierverfahren anwenden. Ausblick: Erweiterung des DSR-Messplatzes auf weitere Solarzellentypen (Rückkontaktzellen, organische SZ, Mini-Module)