Charakterisierung von Bifazial-Solarzellen

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1 Charakterisierung von Bifazial-Solarzellen Jochen Hohl-Ebinger, Michael Rauer, Alexandra Schmid Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Workshop PV-Modultechnik Köln,

2 Rahmen und Gliederung Monofaziale Messungen bifazialer Zellen (Ergebnisse) Bifaziale Anwendungen (Motivation) Bifaziale Messung (vorliegende Arbeit)

3 Standardtestbedingungen (STC) Wie erreichen wir eine internationale Vergleichbarkeit der Ergebnisse? Herkömmlicher Weg: Realisieren von STC nach IEC 904 Schätzen des Unsicherheitsbudgets Temperatur 25 C Einstrahlung 1000 W/m² spektrale Verteilung Aber: Bifazialität nicht berücksichtigt in STC spectral irradiance [W m -2 nm -1 ] AM1.5G Edition wavelength [nm] 3

4 Unsicherheit der Referenzkalibrierung Kalibrierkette des ISE CalLab PV Cells Planck-Spektrum, kleine Diode Cryoradiometer < 0.01% Synthetische Strahlung, kleine Zelle Photodiode < 0.1% Simulator-Strahlung, große Fläche Beiträge > 0,1% signifikant! Verkapselte 2x2 cm²- Solarzelle Industrielle Solarzelle < % < 1-2% Starke wirtschaftliche Auswirkungen: 0.1 % von GWp/a PV-Weltproduktion Mio. 4

5 Einschätzung der Auswirkung von Bifazialität Reihe von Testzellen mit Unterschiedlicher Bifazialität Gemessene spektrale Empfindlichkeit Bestrahlung von Vorderseite Cell A Cell B Cell C Cell D Front side Bestrahlung von Rückseite Cell A Cell B Cell C Cell D Back side SR [A/W] SR [A/W] Wavelength [nm] Wavelength [nm] Zelle B: vollständig bifazial Zellen A, C, D: Rückkontaktzellen mit unterschiedlichem Metallisierungsanteil 5 J. Hohl-Ebinger and W. Warta, Bifacial Solar Cells in STC Measurements. in Proceedings of the 25 th EUPVSEC 10. Valencia, Spain

6 Monofaziale Messung Auswirkung der Bifazialität auf SR(λ) und I SC E(λ) T(λ) Solarzelle Transmission [%] bifacial cell A B C D Wavelength [nm] 6 J. Hohl-Ebinger and W. Warta, Bifacial Solar Cells in STC Measurements. in Proceedings of the 25 th EUPVSEC 10. Valencia, Spain

7 Monofaziale Messung Auswirkung der Bifazialität auf SR(λ) und I SC E(λ) T(λ) R(λ) Solarzelle / Modul Chuck / Modulhalterung 100 Reflection [%] black foil black anodized brown anodized Cu brass1 brass2 with ad. foil gold plated Wavelength [nm] 7 J. Hohl-Ebinger and W. Warta, Bifacial Solar Cells in STC Measurements. in Proceedings of the 25 th EUPVSEC 10. Valencia, Spain

8 Monofaziale Messung Auswirkung der Bifazialität auf SR(λ) und I SC E(λ) T(λ) R(λ) Solarzelle / Modul Chuck / Modulhalterung ~ 0,8-1,2% zusätzlicher Strom (voll bifaziale Zelle) Superposition: Lineares Verhalten angenommen! SR ( λ) = SR ( λ) + SR, ( λ) = SR ( λ) + T ( λ) R ( λ) SR ( λ) meas front back contrib I front Cell Chuck back = E( λ) T ( λ) R ( λ) SR ( λ) λ back, contrib Cell Chuck back 8 J. Hohl-Ebinger and W. Warta, Bifacial Solar Cells in STC Measurements. in Proceedings of the 25 th EUPVSEC 10. Valencia, Spain

9 Bifaziale Anwendungen Zwei Hauptausrichtungen S+ orientiert zur Sonne (z. B. ) zusätzliche Bestrahlung + <% von der Rückseite VNS Vertikale Installation Nord-Süd (Exposition Ost/West) Fassade Fassaden-Abschattung Gerade Dachfläche Solarpark Ebene Dachfläche Schallschutzwände Solarpark 9

10 Bifaciale Anwendungen Zwei Hauptausrichtungen S+ orientiert zur Sonne (z. B. ) zusätzliche Bestrahlung + <% von der Rückseite VNS Vertikale Installation Nord-Süd (Exposition Ost/West) Fassade rel. power GlobHor VNS Time 10 Simulation (Mai): C. Reise

11 Lastkurven Stromnetz Deutschland (14) Last KW 2 (Januar) KW 21 (Mai)

12 Lastkurven Stromnetz Deutschland (14) Last-Solar KW 2 (Januar) KW2 (Januar) Last-Solar/GW Last-Solar/GW KW 21 (Mai) KW21 (Mai) Last-Solar/GW Last-Solar/GW

13 Lastkurven Stromnetz Deutschland (14) Last-Wind-Solar KW 2 (Januar) KW2 (Januar) Last-Solar/GW KW2 (Januar) Last-Wind-Solar/GW Last-Solar/GW Last-Wind-Solar/GW KW 21 (Mai) KW21 (Mai) Last-Solar/GW KW21 (Mai) Last-Wind-Solar/GW Last-Solar/GW Last-Wind-Solar/GW

14 Bifazialität im Stromnetz Last-Wind-Solar vs. VNS Last-Wind-Solar/GW VNS 0.8 Last-Wind-Solar/GW rel. Power Time 14

15 Charakterisierung der Bifazialität Relevante Werte Monofaziale Leistung Vorderseite > 0 Monofaziale Leistung Rückseite > 0 Bifaziale Zelle/Modul Bifaziale Performance X Sonnen vorne + Y Sonnen hinten (X,Y) =? rel. power GlobHor VNS Time S+ VNS S+: (0-1, 0-0.4) I SC ~1.4 Sonnen VNS: (0-0.7, 0-0.7) I SC ~0.8 Sonnen Sicherheitsfragen (Verkabelung, Bypass-Dioden.) Unterschiedliche Optimierung (Zelle und Modul) 15

16 Charakterisierung der Bifazialität Messungen zur Unterstützung der Zellentwicklung Leistungsverhältnis Vorder-/Rückseite Metallisierungsanteil (Abschattung) Oberflächenstrukturierung vs. Passivierung (rückseitig) Serienwiderstand 2 1 Dev. to eta(stc) [%] Cells Rs [Ohm] G [1000 W/m²] 16

17 Bifaziale Messungen Zell- und Modul-IV-Charakterisierung Erweiterung des Messaufbaus vorgeschlagen von M. Ezquer Vorteile: Vorderseite: G = Sonnen Rückseite: G = Sonnen Simultane Bestrahlung von Vorder- und Rückseite Austausch des Spiegels mit bestimmten Oberflächen 17 M. Ezquer et. al., 23th EUPVSC 08, Valencia Spain

18 Bifaziale Messungen Zell- und Modul-Charakterisierung Short-circuit current density I sc [ma] Measured front only rear only front+rear Set effective irradiance [W/m 2 ] Open-circuit voltage V oc [mv] Measured front only rear only front+rear No temperature regulation 0 Measured front only temperature regulation: Set effective 22.7 irradiance +/- 0.5 C rear only [W/m 2 ] front+rear Fill factor [%] No temperature regulation Measured front only rear only front+rear η [%] Set effective irradiance [W/m 2 ] Set effective irradiance [W/m 2 ]

19 Bifaziale Messungen Zell- und Modul-Charakterisierung Weitere Arbeiten: Zelltemperierung Validierung der Messungen Simulation Messaufbau (Raytracing) Zellsimulation (Superposition) Superposition Prinzip? Standards für Messung an bifazialen Zellen 19

20 Messung der Spektralen Empfindlichkeit an großen Zellen Filtermonochromator Differentielles Messverfahren: Bevorzugt zur Linearitätsprüfung (dielektrische Passivierung) Hohe Genauigkeit bei Zellmessung Bias light Chopper Cell Current [A] linear non-linear Injection dependence recombination high Rs Test sample Monitor system Filter wheel Lamp Bias Intensity [W/m²]

21 Messung der Spektralen Empfindlichkeit an großen Zellen Bifaziale Solarzellen Add. Bias light Bias light Chopper Cell Current [A] linear non-linear Injection dependence recombination high Rs Test sample Monitor system Filter wheel Lamp Bias Intensity [W/m²] 21

22 Zusammenfassung Möglichkeiten zur Charakterisierung der Bifazialität IV-Messung Vorderseite: 0-1 Sonnen Rückseite: 0-1 Sonnen Vorder- und Rückseite gleichzeitig: (0-1.4, 0-1) Sonnen Messung der spektralen Empfindlichkeit Differentielles Messverfahren zur Bestimmung von (Nicht-)Linearitäten Bias vorder- und rückseitig (separat und gleichzeitig; Sonnen) Aus Device-Simulation Validierung von Messeffekten Prognose von Linearitätseffekte 22

23 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Fraunhofer ISE CalLab PV Cells Kalibrierservice für Forschung und Industrie Messungen an allen Arten von Solarzellen (single/multi-junction) Akkreditiert als ISO 125 DAkkS Labor 23