Leistungscharakterisierung von PV- Modulen - Neue quantitative Lumineszenz und Thermografie- Messmethoden für In- und Outdoor Anwendungen

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1 Mitglied der Helmholtz-Gemeinschaft Leistungscharakterisierung von PV- Modulen - Neue quantitative Lumineszenz und Thermografie- Messmethoden für In- und Outdoor Anwendungen A. Gerber, M. Siegloch, V. Huhn, Y. Augarten, B.E. Pieters, U. Rau

2 Übersicht Einführung in Lumineszenz und Thermografie Analyse Neue quantitative indoor Methoden: o Differentielles Leistungsbild am MPP o Photo-Stromsammlungs-Effizienz Potential der Methoden hinsichtlich outdoor Anwendung Slide 2

3 Position y [pixel] DT [a.u.] Intensity Φ EL [a.u.] Vorteile bildgebender Mess-Methoden Nicht destruktiv (meistens) Messzeiten von wenigen Sekunden bis Minuten Prinzipiell in-line fähig Anwendbar auf große Flächen Outdoor einsetzbar Häufigste Anwendung: qualitative Fehlererkennung LIT 10 ma-30min EL 10 ma-3 s Position x [pixel] Position x [pixel] Slide 3

4 Quantitative Lumineszenz Analyse Opto-elektrische Reziprozität ϕ EL E, r = Q e E, r ϕ bb E e qv(r) kt U. Rau: Reciprocity relation between photovoltaic quantum efficiency and electroluminescent emission of solar cells, Phys. Rev. B, 76, (2007) Slide 4

5 Quantitative Lumineszenz Analyse Opto-elektrische Reziprozität ϕ EL E, r = Q e E, r ϕ bb E e qv(r) kt U. Rau: Reciprocity relation between photovoltaic quantum efficiency and electroluminescent emission of solar cells, Phys. Rev. B, 76, (2007) V i (r) Δn, τ, R s Slide 5

6 Welche EL Kamera für welche Technologie? Kamera-Signal: S Kamera r = Q Kamera E ϕ EL E, r de InGaAs Sensoren nicht billig, aber die beste Wahl für viele Technologien! Slide 6

7 Thermografie an Solarmodulen oder Zellen Wärmequellen: R shunt R series Wärmestrahlung: (dissipierte Leistung) ( E,r) DT(r) P Slide 7

8 Warum Lock-in Thermografie? Vorteile: Deutlich verbesserte Empfindlichkeit Auflösung im mk Bereich Verbesserte räumliche Auflösung durch geringere Wärmeausbreitung Phase enthält nützliche physikalische Information Nachteile: Lange Integrationszeiten Kosten, Aufbau Ohne Lock-in Technik Lock-in Slide 8

9 Beispiel 1: Differentielles Leistungsbild am MPP Thermografie-Bild dissipierte Leistung P diss = P x, y dx = P absorbiert P extrahiert Fläche P diss = 0 Slide 9

10 Spannung V Differentielles Leistungsbild am MPP x x Gute lokale Zelle (Fläche) Durchschnittliche Zelle Schlechte lokale Zelle P diss = P diss (I ) P diss (I + ) diss. Leistung P diss P diss < 0 Strom I Slide 10

11 LIT signal [r.u.] Beispiel 1: Differentielles Leistungsbild am MPP Ziel: Sichtbarmachung der Inhomogenität der dissipierten Leistung am MPP Werte gleich Null: mittlere Modul Leistung Werte größer Null: höhere Leistung als im Mittel Werte kleiner als Null: kleinere Leistung als im Mittel Beleuchtete Mpp 30 Differentielles Leistungsbild a-si a-si 0 a-si Slide 11

12 Beispiel 2: Photo-Stromsammlungseffizienz f Gibt an, wie effizient ein an der Stelle r injizierter Strom DI zu den Terminals geleitet (DI klein ) wird f = 1: 100% des injizierten Stroms DI wird zu den Terminals geleitet f = 0: Kein injizierter Strom gelangt zu den Terminals Sichtbarmachung von Verlusten (Rekombination, Widerstand, Defekte) Methode unabhängig vom Arbeitspunkt! Interessant: Stromsammlung am MPP Slide 12

13 EL Intensität [arb.] Photo-Stromsammlungs-Effizienz Photo-Stromsammlungseffizienz f Stromsammlungseffizienz Bild EL Bild Multikristalline Si Zelle Erhöhte Rekombination Nicht kontaktierter Bus Reduzierte Stromsammlung Slide 13

14 Photo-Stromsammlungseffizienz f f DI DI klein DV DV klein J. Wong, M.A. Green, Phys. Rev. B 85, (2012) V(r) ln( ϕ EL r ) Reziprozitäts-Theorem f = l cam L cam V th V klein Dl cam : Kleinsignal Differenz-Bild um V AP (V AP ± DV klein ) DL cam : Großsignal Differenz-Bild (0-V AP ) Slide 14

15 Beispiel 2: Stromsammlungseffizienz f Luminescenz Strom I DV klein L cam SC Großsignal Differenzbild: l cam ΔL cam = S cam V AP S cam (0) Kleinsignal Differenzbild: Δl cam = S cam V AP ± V klein 0 Externe Spannung V ext V AP f = l cam L cam V th V klein ΔL cam Δl cam Slide 15

16 Differentielle IR und Lumineszenz Analyse M. Siegloch et al., Small-signal lock-in thermography at the maximum power point of an a-si:h mini-module, in Physica Status Solidi (RRL), 2014 U. Rau et al., Photocurrent collection efficiency mapping of a silicon solar cell by a differential luminescence imaging technique, APL, 2014 A. Gerber et al., Advanced large area characterization of thin-film solar modules by electroluminescence and thermography imaging techniques, SOLMAT, 2014 Slide 16

17 Potential als quantitative Outdoor Analytik Ziel: Outdoor Analytik unter Tageslicht Nicht nur qualitativ, sondern auch quantitativ! Die beiden Methoden - Modulierte MPP Thermografie und Stromsammlungs-Effizienz sind beide prinzipiell unter Tageslicht ausführbar, da Modulationstechniken angewendet werden können. Modulierte MPP Thermografie macht sichtbar, wie sich das Modul unter MPP verhält und gibt Informationen zur relativen dissipierten Leistung. Nachteil: Sehr lange Integrationszeiten! (>30min.) Stromsammlungs-Effizienz zeigt welche Teile des Moduls tatsächlich zur Stromgewinnung beitragen und dies unabhängig vom Arbeitspunkt. Kürzere Messzeiten (Sekunden). Slide 17

18 Danksagung C. Ulbrich, C. Zahren, W. Reetz, J. Noll, C. Grates, Y. Augarten, G. Olivera, B. Blank, W. Hilgers, D. Erdweg, T. Birrenbach, J. Radde, M. Siegloch, T.M.H. Tran, T.C.M. Müller, B. Misic, L. Niessen, S. Kaspar, H. Conradi, B.E. Pieters Gefördert u.a. durch das NRWZiel2 Projekt InnoPV, Poster im Foyer Slide 18

19 Danke für Ihre Aufmerksamkeit! Slide 19