PatentDe  


Dokumentenidentifikation DE102006028056A1 20.12.2007
Titel Verfahren zum Prüfen von Solarzellenmodulen und Prüfvorrichtung
Anmelder Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg(ZSW), 70565 Stuttgart, DE
Erfinder Powalla, Michael, Dr.-Ing., 76359 Marxzell, DE;
Lotter, Erwin, Dr.-Ing., 74354 Besigheim, DE
Vertreter Patentanwälte Ruff, Wilhelm, Beier, Dauster & Partner, 70174 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 09.06.2006
DE-Aktenzeichen 102006028056
Offenlegungstag 20.12.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 20.12.2007
IPC-Hauptklasse G01R 31/00(2006.01)A, F, I, 20060609, B, H, DE
IPC-Nebenklasse H02N 6/00(2006.01)A, L, I, 20060609, B, H, DE   G01H 11/02(2006.01)A, L, I, 20060609, B, H, DE   G01N 21/63(2006.01)A, L, I, 20060609, B, H, DE   
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen von Solarzellenmodulen mit mehreren in Serie geschalteten Solarzellen mittels Messgerät, wobei eine der mehreren Solarzellen mit einem Lichtpunkt beleuchtet wird.
Erfindungsgemäß wird der in der mit dem Lichtpunkt belichteten Solarzelle erzeugte Photostrom in der belichteten Solarzelle selbst abgeleitet und gleichzeitig wird die über das Solarzellenmodul abfallende Spannung gemessen.
Verwendung z. B. zum Prüfen von CIS- und CIGS-Solarzellenmodulen.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Prüfen von Solarzellenmodulen mit mehreren, in Serie geschalteten Solarzellen mittels eines Messgeräts und dem Schritt des Beleuchtens einer der mehreren Solarzellen mit einem Lichtpunkt. Die Erfindung betrifft auch eine Prüfvorrichtung für Solarzellenmodule zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit einer, einen Lichtpunkt erzeugenden Lichtquelle und einem Messgerät.

Solarzellenmodule enthalten in der Regel mehrere, in Serie geschaltete Solarzellen und sind so verkapselt, dass lediglich die Anschlüsse des gesamten Moduls, nicht aber die einzelnen Solarzellen mehr zugänglich sind. Dies ist beispielsweise auch bei Dünnschichtsolarzellen der Fall, bei denen eine Serienschaltung nicht mehr über Leiterbahnen zwischen einzelnen Solarzellenwafern, sondern bereits während des Herstellungsprozesses durch geeignete Gestaltung der Vorderseitenkontakte und Rückseitenkontakte realisiert wird. Solche Dünnschichtsolarzellenmodule sind beispielsweise zwischen zwei Glasscheiben verkapselt und die einzelnen Solarzellen sind elektrisch nicht mehr zugänglich.

Bei bekannten Messverfahren für Solarzellen und Solarzellenmodule wird eine der Solarzellen in dem Modul mittels eines Lichtpunkts beaufschlagt und der durch den Lichtpunkt erzeugte Photostrom wird im Kurzschluss an den zugänglichen Anschlüssen des Moduls gemessen. Beispielsweise wird ein Laserstrahl verwendet, mit dem eine Solarzelle des Solarzellenmoduls abgerastert wird. Aus dem in Kurzschlusskonfiguration gemessenen Strom können beispielsweise die Generation und Rekombination/Sammlung der Solarzelle ortsaufgelöst bestimmt werden. Dieses Messverfahren wird mit LBIC (Light/Laser Beam Induced Current) bezeichnet.

Problematisch bei der Messung in der Kurzschlusskonfiguration ist, dass der in der zu messenden Solarzelle erzeugte Photostrom durch alle Solarzellen des Moduls nach außen geführt werden muss. Dadurch kann eine über die zu messende Solarzelle getroffene Aussage verfälscht werden. Beispielsweise reicht es nicht aus, in der Kurzschlusskonfiguration über alle Solarzellen des Moduls eine Spannung von 0V anzulegen, um an jeder einzelnen Solarzelle 0V anliegen zu haben. Beispielsweise kann an einer der Zellen eine kleine positive Spannung abfallen, die dann von einer negativen Spannung an einer anderen Solarzelle kompensiert wird.

Nicht nur bei sogenannten CIS-Dünnschichtsolarzellen (Kupfer, Indium, Selenid) oder CIGS-Dünnschichtsolarzellen (Kupfer, Indium, Gallium, Selenid) ist die Messung von Eigenschaften einzelner Solarzellen in einem verkapselten Solarzellenmodul in der Kurzschlusskonfiguration problematisch.

Mit der Erfindung sollen ein Prüfverfahren und eine Prüfvorrichtung für Solarzellenmodule bereitgestellt werden, mit denen zuverlässige Aussagen über einzelne Solarzellen auch dann getroffen werden können, wenn nicht mehr die elektrischen Anschlüsse einer einzelnen Solarzelle, sondern lediglich die Anschlüsse des gesamten Solarzellenmoduls zugänglich sind.

Erfindungsgemäß ist hierzu ein Verfahren zum Prüfen von Solarzellenmodulen mit mehreren, in Serie geschalteten Solarzellen mittels eines Messgeräts mit folgenden Schritten vorgesehen: Beleuchten einer der mehreren Solarzellen mit einem Lichtpunkt, Ableiten des in der mit dem Lichtpunkt belichteten Solarzelle erzeugten Photostroms in der belichteten Solarzelle selbst und gleichzeitiges Messen der über das Solarzellenmodul abfallenden Spannung.

Indem der in der zu prüfenden Solarzelle erzeugte Fotostrom in der belichteten Solarzelle selbst abgeleitet wird, fließt praktisch kein Strom über die übrigen Solarzellen des Moduls ab, so dass deren Eigenschaften die erfindungsgemäß vorgesehene Spannungsmessung auch nicht wesentlich beeinflussen können. Erreicht wird die interne Ableitung des erzeugten Photostroms dadurch, dass das an die Ausgangsanschlüsse des Solarzellenmoduls geschaltete Spannungsmessgerät einen gegenüber dem Innenwiderstand des Solarzellenmoduls ausreichend großen Innenwiderstand hat. Wesentlich für das erfindungsgemäße Verfahren ist, dass der durch Beleuchten mit dem Lichtpunkt in der zu prüfenden Solarzelle des Moduls erzeugte Strom nicht über die übrigen Solarzellen des Moduls abfließt und dadurch das Messergebnis verfälscht. Im allgemeinsten Fall muss der komplexe Innenwiderstand des Spannungsmessgeräts groß gegenüber dem komplexen Innenwiderstand des Solarzellenmoduls sein. Die am Solarzellenmodul anliegende Spannung ist dann die von dem in der belichteten Solarzelle erzeugten Photostrom und dessen Ableitung über den Innenwiderstand dieser Solarzelle erzeugte Spannung. Diese Spannung, die außen am Modul gemessen werden kann, lässt wertvolle Rückschlüsse über die Eigenschaften der belichteten Solarzelle zu. Dies gilt insbesondere bei sogenannten CIS- und CIGS-Dünnschichtsolarzellen, da der bei bekannter Lichtintensität erzeugte Photostrom nicht so stark wie der Innenwiderstand dieser Dünnschichtsolarzellen schwankt. Selbst wenn sich also der über einen Lichtpunkt mit bekannter Lichtintensität erzeugte Photostrom ändern sollte, so lässt die dann am Solarzellenmodul gemessene Spannung immer noch wertvolle Rückschlüsse über die Eigenschaften der gerade belichteten Solarzelle zu, da der Innenwiderstand von solchen Dünnschichtsolarzellen bei Defekten oder Unregelmäßigkeiten wesentlich stärker als der erzeugte Photostrom schwankt. Das erfindungsgemäße Verfahren lässt es daher problemlos zu, bei vernachlässigbarem Stromfluss durch die übrigen Solarzellen des Moduls hindurch mittels einer Spannungsmessung am Modul Aussagen über die Eigenschaften einer gerade belichteten Solarzelle im Modul zu machen. Die Genauigkeit des Ergebnisses hängt dabei auch davon ab, welcher Wert für den induzierten Fotostrom, der ja nicht gemessen wird, angenommen wird. Wie bereits erwähnt wurde, zeigt die Erfahrung aber, dass dieser Wert für Solarzellen eines bestimmten Typs nur wenig schwankt. Für qualitativ gutes, d.h. verkaufsfähiges Material schwankt der Wert für den bei einer bestimmten Intensität induzierten Fotostrom praktisch nur im einstelligen Prozentbereich. Parallelwiderstände der Solarzelle hingegen können um mehrere Größenordnungen variieren, bis Auswirkungen auf das Schwachlichtverhalten der Module zu beobachten sind. Fehler durch die ungenügende Kenntnis des induzierten Fotostroms sind im Allgemeinen daher völlig unbedeutend. Auch Schwankungen der Kapazität der Zelle, die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren diagnostiziert werden können, übersteigen die Unsicherheit bei der Abschätzung des induzierten Fotostroms bei weitem. Trotz des nur indirekten Einflusses des Fotostroms auf den gemessenen Spannungswert lässt sich mit dem erfindungsgemäßen Verfahren aber durch Abtasten der Solarzellenoberfläche sogar ein relatives Profil der Fotogeneration erstellen. Diesem Profil überlagert ist zwar ein Profil, das durch laterale Inhomogenitäten des Parallelwiderstands der Zelle entsteht. Durch den geringen seriellen Widerstand, mit dem die einzelnen Abschnitte der Solarzelle durch den Frontkontakt und Rückkontakt verbunden sind, entsteht hier aber nur dann ein merkliches überlagertes Profil, wenn die Solarzelle lokale Kurzschlüsse enthält.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Abscannen der Solarzellenoberfläche mit dem Lichtpunkt und fortlaufendes Erfassen der über das Solarzellenmodul abfallenden Spannung vorgesehen.

Durch Abscannen der Solarzellenoberfläche mit dem Lichtpunkt lassen sich Aussagen über lokale Defekte der gerade belichteten Solarzelle treffen, beispielsweise über lokale Kurzschlüsse zwischen Vorderseitenkontakt und Rückseitenkontakt.

In Weiterbildung der Erfindung wird das Licht des Lichtpunkts zum Beaufschlagen der Solarzelle moduliert.

Durch Modulation des Lichts des Lichtpunkts und entsprechend angepasste Auswertung der am Solarzellenmodul abfallenden Spannung können Störungen, beispielsweise durch Umgebungslicht, ausgefiltert werden.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Beaufschlagen des Solarzellenmoduls mit Hintergrundbeleuchtung vorgesehen.

Durch Hintergrundbeleuchtung kann gezielt eine Kennlinie der Solarzelle für gewünschte Beleuchtungsverhältnisse angefahren werden, auf der dann die Messung mittels des Lichtpunktes erfolgt.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Einprägen eines konstanten Stroms in das Solarzellenmodul und das gleichzeitige Beaufschlagen der Solarzelle mit einem Lichtpunkt mit intensitätsmoduliertem Licht zum Messen des differentiellen Widerstandes der Solarzelle vorgesehen.

Durch Einprägen eines konstanten Stroms kann ein bestimmter Arbeitspunkt auf der I/U-Kennlinie der Solarzelle angefahren werden. Durch die Serienschaltung aller Solarzellen des Solarzellenmoduls fließt durch alle Solarzellen des Moduls der gleiche Strom. Indem lediglich eine der Solarzellen des Moduls dann mit dem Lichtpunkt belichtet wird, kann auch bei Einprägen eines konstanten Stroms eine Aussage über die elektrischen Eigenschaften der mit dem Lichtpunkt belichteten Solarzelle getroffen werden. Speziell kann durch Belichten mit einem Lichtpunkt mit moduliertem Licht der differentielle Widerstand an dem durch Einprägen des konstanten Stroms angefahrenen Arbeitspunkt der I/U-Kennlinie bestimmt werden. Durch Einprägen unterschiedlicher Ströme in das Solarzellenmodul kann dadurch die I/U-Kennlinie einer Solarzelle bestimmt werden. Zusätzlich kann beispielsweise Hintergrundlicht vorgesehen sein, um auch bei unterschiedlicher Beleuchtung die I/U-Kennlinien der Solarzelle zu bestimmen.

In Weiterbildung der Erfindung ist das Beaufschlagen der Solarzelle mit einem Lichtpunkt mit Licht vorgesehen, das mit veränderbarer Frequenz moduliert ist, und gleichzeitig wird der komplexe Widerstand der Solarzelle bestimmt.

Durch diese Maßnahmen kann beispielsweise der Frequenzgang des komplexen Innenwiderstandes einer Solarzelle in dem Solarzellenmodul bestimmt werden. Die Bestimmung des Frequenzgangs lässt beispielsweise wichtige Aussagen über die Sperrschichtkapazität der geprüften Solarzelle zu.

In Weiterbildung der Erfindung wird die Lichtintensität des Lichtpunktes so schwach eingestellt, dass der Widerstand des belichteten Abschnitts der Solarzelle größer oder gleich zum Widerstand des nicht belichteten Abschnitts dieser Solarzelle ist.

Durch diese Maßnahmen wird das elektrische Verhalten der gerade belichteten Solarzelle nicht durch den belichteten Abschnitt, sondern durch die restlichen, nicht vom Lichtpunkt belichteten Abschnitte der Solarzelle bestimmt. Dadurch ist beispielsweise eine Aussage über das Schwachlichtverhalten der gemessenen Solarzelle möglich.

In Weiterbildung der Erfindung wird die Lichtintensität des Lichtpunkts so stark eingestellt, dass der Widerstand des belichteten Abschnitts der Solarzelle gegenüber den nicht belichteten Abschnitten dieser Solarzelle klein ist.

Bei einer solchen Einstellung der Lichtintensität des Lichtpunktes ist gegenüber dem belichteten Abschnitt der Rest der Solarzelle vernachlässigbar. Auch eine solche Messung kann wichtige Aussagen über die Eigenschaften der belichteten Solarzelle ermöglichen. Beispielsweise kann im Rahmen eines automatisierten Messprogramms zunächst eine Messung mit schwacher Lichtintensität und darauffolgend eine Messung mit starker Lichtintensität durchgeführt werden.

Das der Erfindung zugrunde liegende Problem wird auch durch eine Prüfvorrichtung für Solarzellenmodule zum Durchführen des erfindungsgemäßen Verfahrens gelöst, wobei die Prüfvorrichtung eine, einen Lichtpunkt erzeugende Lichtquelle und ein Messgerät aufweist, wobei das Messgerät als Spannungsmessgerät zum Erfassen der über ein zu prüfendes Solarzellenmodul abfallenden Spannung ausgebildet ist und einen gegenüber dem Innenwiderstand des Solarzellenmoduls wesentlich größeren Innenwiderstand aufweist.

Bei einer derartigen Ausbildung des Spannungsmessgeräts fließt ein vernachlässigbar kleiner Strom von der gerade belichteten Solarzelle des Solarzellenmoduls durch dessen übrige Zellen nach außen ab, so dass der durch die Belichtung erzeugte Photostrom praktisch vollständig in der gerade belichteten Solarzelle selbst abgeleitet wird. Die Spannungsmessung an den Außenanschlüssen des Solarzellenmoduls lässt dadurch wichtige Rückschlüsse auf die gerade belichtete Solarzelle selbst zu, da die übrigen Solarzellen des Moduls lediglich als Leitungswiderstand wirken und ihr Einfluss auf die am Solarzellenmodul gemessene Spannung aufgrund des vernachlässigbaren Stromflusses vernachlässigbar ist. Vorteilhafterweise beträgt der Innenwiderstand des Spannungsmessgeräts wenigstens das Zehnfache des Widerstands des Solarzellenmoduls. Das Verhältnis der Innenwiderstände von Solarzellenmodul und äußerer Beschaltung des Solarzellenmoduls muss für den jeweils betrachteten Frequenzbereich und allgemein für die komplexen Innenwiderstände gelten.

In Weiterbildung der Erfindung gibt die punktförmige Lichtquelle moduliertes Licht ab, wobei insbesondere eine Modulationsfrequenz des modulierten Lichts einstellbar ist.

In Weiterbildung der Erfindung sind Mittel zum Einprägen eines konstanten Stroms in das Solarzellenmodul vorgesehen, wobei insbesondere unterschiedliche konstante Ströme eingeprägt werden können.

Durch Einprägen eines konstanten Stroms in das Solarzellenmodul können unterschiedliche Arbeitspunkte auf der I/U-Kennlinie einer Solarzelle angefahren und dann an diesem Arbeitspunkt Messungen durchgeführt werden. Dies kann beispielsweise durch Modulieren des Lichts des Lichtpunkts erreicht werden.

In Weiterbildung der Erfindung ist eine zentrale Steuereinheit vorgesehen, wobei eine Intensität der den Lichtpunkt erzeugenden Lichtquelle, eine Modulationsfrequenz des Lichts des Lichtpunkts, eine Einstellung eines in das Solarzellenmodul eingeprägten Stroms, eine Intensität einer Hintergrundbeleuchtung und/oder eine Position des Lichtpunkts auf dem Solarzellenmodul mittels der zentralen Steuereinheit vorgebbar ist.

Mittels einer solchen zentralen Steuereinheit lassen sich beispielsweise automatisierte Messprogramme mit ebenfalls automatisierter Auswertung einrichten. Beispielsweise können die einzelnen Solarzellen eines Moduls mittels des Lichtpunktes abgerastert werden und zu jeder Rasterstellung wird ein Spannungswert an den Außenanschlüssen des Solarzellenmoduls erfasst. Weitergehende Auswertungen können dann die Beurteilung des sich ergebenden Rasterbildes sein. Es ist aber beispielsweise auch möglich, mittels der zentralen Steuereinheit die Modulationsfrequenz des Lichtpunktes zu verändern und auf diese Weise einen Frequenzgang einer Solarzelle im Modul zu erfassen. Weiterhin ist es möglich, durch Einprägen unterschiedlicher konstanter Ströme verschiedene Arbeitspunkte einer I/U-Kennlinie einer Solarzelle anzufahren und an diesen Arbeitspunkten jeweils den differentiellen Widerstand der Solarzelte zu bestimmen.

Weiterhin kann mittels der zentralen Steuereinheit beispielsweise die Intensität einer Hintergrundbeleuchtung verändert werden, um unterschiedliche Kennlinien der Solarzelle bei unterschiedlicher Beleuchtung wenigstens abschnittsweise zu erfassen.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Einzelmerkmale der dargestellten Ausführungsformen können dabei in beliebiger Weise miteinander kombiniert werden, ohne den Rahmen der Erfindung zu überschreiten. In den Zeichnungen zeigen:

1 ein Prinzipschaltbild eines Serienkreises aus einem Solarzellenmodul und einem Spannungsmessgerät zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gemäß einer ersten Ausführungsform,

2 zwei I/U-Kennlinien für einen mit einem Lichtpunkt belichteten Abschnitt einer Solarzelle bzw. einen nicht mit dem Lichtpunkt belichteten Abschnitt der Solarzelle,

3 eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Prüfvorrichtung,

4 ein Diagramm des sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergebenden Spannungssignals beim Abscannen eines Solarzellenmoduls mit mehreren Solarzellen,

5 eine räumliche Darstellung des sich bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ergebenden Spannungssignals beim Abscannen eines Solarzellenmoduls mit mehreren Solarzellen,

6 einen mit dem erfindungsgemäßen Verfahren gemessenen Frequenzgang einer Solarzelle,

7 ein Prinzipschaltbild zur Erläuterung einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens und

8 eine I/U-Kennlinie einer Solarzelle zur Verdeutlichung der zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

In der Darstellung der 1 ist eine Serienschaltung eines Solarzellenmoduls 10 mit einem Spannungsmessgerät 12 dargestellt. Das Solarzellenmodul 10 besteht aus mehreren in Serie geschalteten Solarzellen S1, S2, ... Sn-1, Sn. Zu jeder Solarzelle S1, ... Sn ist das stark vereinfachte, für die Zwecke der Erfindung aber ausreichend genaue elektrische Ersatzschaltbild mit eingezeichnet. Auch bei dem Spannungsmessgerät 12 ist das elektrische Ersatzschaltbild mit eingezeichnet.

Jede Solarzelle S1, ... Sn zeigt im Ersatzschaltbild eine Diode D1, ... Dn, einen ohmschen Widerstand R1, ... Rn und eine Kapazität C1, ... Cn. Das Ersatzschaltbild des Spannungsmessgeräts 12 zeigt die Parallelschaltung aus einem idealen Spannungsmesser 14 mit unendlichem Innenwiderstand, einem ohmschen Widerstand RL und einer Kapazität CL.

Der Innenwiderstand RL des Spannungsmessgerätes 12 ist dabei wesentlich größer als die Summe der Innenwiderstände R1, ... Rn der einzelnen Solarzellen S1, ... Sn. Beispielsweise ist der Widerstand RL wenigstens zehnmal so groß wie die Summe der Innenwiderstände R1, ... Rn. Auf diese Weise ist der Spannungsabfall an den übrigen Solarzellen, verursacht durch den Stromfluss durch das Messgerät 12, vernachlässigbar. Bei Belichtung einer der Solarzellen S1, ... Sn mit einem Lichtpunkt dessen Abmessungen kleiner oder gleich sind als die Gesamtfläche einer jeweiligen Solarzelle S1, ... Sn, wird in der durch den Lichtpunkt beaufschlagten Solarzelle ein Photostrom erzeugt. Da der Innenwiderstand RL des Spannungsmessgeräts 12 aber wesentlich größer ist als die Summe der Innenwiderstände R1, ... Rn der Solarzellen S1, ... Sn, kann dieser erzeugte Photostrom nicht durch die benachbarten Solarzellen abfließen, sondern wird in der gerade belichteten Solarzelle selbst abgeleitet. Beispielsweise wird bei Beaufschlagung der Solarzelle S2 mit einem Lichtpunkt der an der Diode D2 erzeugte Photostrom über den Innenwiderstand R2 abgeleitet. Dadurch fällt aber über die Solarzelle S2 eine Spannung ab, die aufgrund des vernachlässigbaren Stromflusses durch die übrigen Solarzellen S1 sowie S3 bis Sn an den Außenanschlüssen 18, 16 des Solarzellenmoduls 10 abgegriffen werden kann. Im Gleichstromfall lässt die an den Anschlüssen 16, 18 gemessene Spannung dadurch einen Rückschluss auf den Widerstand R2 der Solarzelle S2 zu. Dies ist im übrigen auch für niederfrequente Messungen bis etwa 50 Hz der Fall, so dass bei Modulation des Lichtes des Lichtpunktes mit Frequenzen von weniger als 50 Hz eine Aussage über den sogenannten Shunt-Widerstand einer jeweiligen Solarzelle und damit über deren Schwachlichtverhalten gemacht werden kann. Bei Modulation des Lichts des Lichtpunktes mit Frequenzen von mehr als 50 Hz kann der komplexe Widerstand einer jeweiligen Solarzelle, entsprechend der Parallelschaltung aus Innenwiderstand und Sperrschichtkapazität, bestimmt werden. Bei Bestimmung eines Frequenzganges lassen sich dadurch wichtige Aussagen über die Sperrschichtkapazität einer jeweiligen Solarzelle und damit über den inneren Aufbau treffen.

Bei Bestimmung eines Frequenzganges ist es dabei von Bedeutung, dass die Summe der Kehrwerte der einzelnen Kapazitäten C1 ... Cn der einzelnen Solarzellen S1, ... Sn wesentlich kleiner ist als der Kehrwert der Kapazität CL des Messgeräts 12. Allgemein muss die Summe der komplexen Widerstände Zn der einzelnen Solarzellen S1, ... Sn wesentlich kleiner sein als der komplexe Widerstand ZL des Messgeräts 12. Im einzelnen lauten die Bedingungen, unter denen das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann daher wie folgt:

  • – &Sgr; Rn << RL
  • – &Sgr; 1/Cn << 1/CL
  • – &Sgr; Zn << ZL.

Das erfindungsgemäße Prüfverfahren soll weiter anhand der 2 erläutert werden. Jede der in 1 dargestellten Solarzellen S1, S2, ... Sn kann zum Durchführen des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens mit einem Lichtpunkt vollständig beleuchtet werden, vorteilhafterweise wird aber die Ausdehnung eines Lichtpunktes wesentlich kleiner als die Fläche einer Solarzelle S1, ... Sn gewählt, um erforderlichenfalls auch Aussagen über die räumliche Anordnung eventueller Defektstellen auf der gerade geprüften Solarzelle S1, ... Sn machen zu können. Wird die Ausdehnung des Lichtpunktes deutlich kleiner als die Ausdehnung der Fläche der gerade belichteten Solarzelle gewählt, so liegt elektrisch gesehen eine Parallelschaltung aus zwei unterschiedlich beleuchteten Solarzellen vor. Streng genommen tritt dabei eine Vermischung von Kennlinien für unterschiedliche Beleuchtung auf, die schwierig auszuwerten ist. Einfacher fällt dies, wenn entweder die Kennlinie für den belichteten Abschnitt der Solarzelle oder die Kennlinie für den nicht belichteten Abschnitt der Solarzelle vernachlässigt werden kann. Dies kann bei dem erfindungsgemäßen Prüfverfahren ohne weiteres gemacht werden, wie nachfolgend anhand der Betrachtung zweier Grenzfälle verdeutlicht werden soll.

Zunächst sei der Fall mit einer sehr großen Lichtintensität des Lichtpunktes betrachtet. In diesem Fall wird der Durchgangswiderstand des belichteten Abschnitts der Solarzelle klein, wohingegen der Widerstand des nicht belichteten Abschnitts der Solarzelle im Vergleich hierzu groß bleibt. Der nicht belichtete Abschnitt der Solarzelle kann dadurch in elektrischer Hinsicht vernachlässigt werden und die an den Ausgangsanschlüssen 16, 18 des Solarzellenmoduls abgegriffene Spannung macht somit eine Aussage über die Eigenschaften des gerade belichteten Abschnitts der Solarzelle möglich. Durch die starke Belichtung liegt der Arbeitspunkt bei einer solchen Messung aber immer im gekrümmten Teil der Kennlinie der Solarzelle und es ist dadurch keine Aussage über das Schwachlichtverhalten möglich.

Im zweiten betrachteten Grenzfall wird die Intensität des Lichtpunktes so schwach gewählt, dass sich auch der durch den Lichtpunkt belichtete Abschnitt der Solarzelle noch fast im dunklen Bereich der Kennlinie befindet, also noch in dem annähernd parallel zur Spannungsachse verlaufenden Teil der Kennlinie, wie diese in 2 dargestellt sind. In diesem Fall bleibt der Widerstand auch des belichteten Abschnitts der Solarzelle groß und in elektrischer Hinsicht dominiert der nicht belichtete Abschnitt der Solarzelle. Wenn beispielsweise eine Ausdehnung des Lichtpunktes von 0,1 mm2 und die zu prüfende Solarzelle eine Fläche von 1 cm2 hat, so liegen Größenverhältnisse von etwa 1000:1 vor und aufgrund der wesentlich größeren Fläche dominiert der nicht belichtete Abschnitt der Solarzelle.

Die Darstellung der 2 zeigt im oberen Teil die Verhältnisse für den vom Lichtpunkt getroffenen Abschnitt der Solarzelle und im unteren Teil die Verhältnisse für den Rest der Solarzelle.

Wie im oberen Teil der 2 dargestellt ist, bewegt sich durch die Belichtung mit dem Lichtpunkt der Arbeitspunkt des belichteten Abschnitts der Solarzelle entlang dem Doppelpfeil 24 von der Kennlinie 20, die dem Zustand der Solarzelle ohne Belichtung durch den Lichtpunkt entspricht, auf die Kennlinie 22. Die Kennlinie 20 entspricht dabei nicht der Dunkelkennlinie der Solarzelle, da eine Hintergrund- oder Bias-Beleuchtung vorgesehen ist, die mittels des Pfeiles 24 angedeutet ist.

Für den nicht belichteten Abschnitt der Solarzelle sind die Verhältnisse im unteren Teil der 2 dargestellt. Auf den nicht durch den Lichtpunkt beleuchteten Abschnitt der Solarzelle wirkt lediglich die Bias-Beleuchtung, so dass sich ein Arbeitspunkt für den nicht belichteten Abschnitt der Solarzelle stets auf der Kennlinie 20 bewegen wird.

Der belichtete Abschnitt der Solarzelle liefert nun einen Photostrom IPh, wobei dieser Photostrom I proportional dem Produkt aus der Lichtpunktintensität, beispielsweise die Intensität eines Laserstrahls, mit der Quantenausbeute ist. Der nicht belichtete Abschnitt der Solarzelle bildet eine elektrische Last und der erzeugte Photostrom, der in dem Fall mit schwacher Beleuchtung im Wesentlichen über die gesamte Fläche der Solarzelle abgeleitet wird, führt zu einer Verschiebung des Arbeitspunktes entlang der Kennlinie 20. Dies ist im unteren Teil der 2 durch einen Doppelpfeil 26 dargestellt. Wie bereits ausgeführt wurde, liegt damit streng genommen die Überlagerung zweier unterschiedlicher Kennlinien vor, da die Beleuchtung aber so schwach gewählt wird, dass der Widerstand des belichteten Abschnitts der Solarzelle, der sich aus dem Quotienten aus Flächenwiderstand und Fläche berechnet, größer oder gleich dem Widerstand des nicht belichteten Abschnitts der Solarzelle ist, kann die Verschiebung entlang dem Doppelpfeil 24 von der Kennlinie 20 auf die Kennlinie 22 im belichteten Abschnitt der Solarzelle vernachlässigt werden.

Letztendlich kann also durch die Belichtung mit einem Lichtpunkt mit intensitätsmoduliertem Licht eine Aussage über den differentiellen Widerstand im gerade vorliegenden Arbeitspunkt getroffen werden, da gemäß dem Doppelpfeil 26 die an den Ausgangsanschlüssen 16, 18 des Solarzellenmoduls abgegriffene Spannung den durch den Doppelpfeil 26 abgedeckten Teil der Kennlinie 20 beschreibt. Neben dem ohmschen Widerstand der Solarzelle ist dabei auch die kapazitive Last zu berücksichtigen, da die Messfrequenz in diesem Fall größer als 0 ist.

Für Messfrequenzen von weniger als 50 Hz, also die Modulationsfrequenz für die Lichtintensität des für die Belichtung verwendeten Lichtpunkts, kann jedoch näherungsweise von Gleichstromverhältnissen ausgegangen werden und die Bestimmung des Shunt-Widerstandes der gerade geprüften Solarzelle im Solarzellenmodul ist möglich. Bei Modulationsfrequenzen von mehr als 50 Hz kann der komplexe Widerstand der gerade geprüften Solarzelle ermittelt werden und bei hohen Frequenzen dominiert die Kapazität der Solarzelle.

Die Darstellung der 3 zeigt eine erfindungsgemäße Prüfvorrichtung, mit der das Solarzellenmodul 10 geprüft werden soll. Das Solarzellenmodul 10 kann mittels Lampen 28, 30 mit einer Hintergrund-Beleuchtung oder Bias-Beleuchtung beaufschlagt werden. Zusätzlich wird eine zu prüfende Solarzelle in dem Solarzellenmodul 10 mit einem Lichtpunkt beaufschlagt, der durch Auftreffen eines Lichtstrahls 32 auf das Solarzellenmodul 10 entsteht. Die Querschnittsfläche des Lichtstrahls 32 und somit des Lichtpunkts auf der zu prüfenden Solarzelle ist wesentlich kleiner als die Ausdehnung der zu prüfenden Solarzelle. Der Lichtstrahl 32 wird von einer Laserdiode 34 erzeugt und wird über eine Optik 36 und einen Galvanometer-Scannerkopf 38 umgelenkt. Der Galvanometer-Scannerkopf 38 wird über eine Treiberelektronik 40 angesteuert und kann den Lichtstrahl 32 so ablenken, dass das gesamte Solarzellenmodul 10 abgescannt werden kann.

Ein Lock-in-Verstärker 42 mit D/A-Ausgängen ist einerseits über einen Bus 44 an einen Personal Computer 46 zur Steuerung und Datenverwaltung angeschlossen und andererseits mit Leitungen zur Treiberelektronik 40, zur Laserdiode 34 und zu den Ausgangsanschlüssen 16, 18 des Solarzellenmoduls 10 versehen.

Unter Steuerung des PCs 46 können automatisierte Mess- und Auswerteprogramme durchgeführt werden, bei denen beispielsweise die einzelnen Solarzellen des Solarzellenmoduls 10 mit dem Lichtstrahl 32 abgerastert werden und parallel dazu die an den Anschlüssen 16, 18 anliegenden Spannungen erfasst und ausgewertet werden. Mittels einer Stromquelle 60 kann unter Steuerung des PCs 46 auch ein Strom in das Solarzellenmodul 10 eingeprägt werden. Dies wird nachfolgend noch detailliert erläutert.

Das Diagramm der 4 zeigt die an den Anschlüssen 16, 18 aufgenommene Spannung beim Abrastern des Solarzellenmoduls 10. Insgesamt enthält das Solarzellenmodul 10 zwölf Zellen und, wie der in 4 eingetragenen Kurve zu entnehmen ist, ist die bei Belichtung der einzelnen Solarzellen abfallende Spannung stark unterschiedlich. Die Messung der 4 wurde bei niedriger Modulationsfrequenz durchgeführt, so dass der gemessene Signalpegel proportional zum Gleichstromparallelwiderstand der gemessenen Solarzelle ist. Der Normalpegel für die einzelnen Solarzellen des Solarzellenmoduls 10 liegt bei 10 mV und, wie aus der Kurve von 4 zu erkennen ist, weisen die Solarzellen 2, 4, 5, 8, 9 und 11 in etwa diesen Signalpegel von 10 mV auf. Eine wesentlich geringere Spannung ist bei den Zellen 1, 3, 6, 7, 10 und 12 zu beobachten. Es ist davon auszugehen, dass diese Solarzellen lokale Kurzschlüsse aufweisen und bei Ableitung des erzeugten Photostroms lediglich eine geringe Spannung abfällt.

Die Darstellung der 5 zeigt eine räumliche Darstellung der an den Anschlüssen 16, 18 des in diesem Fall stark fehlerhaften Solarzellenmoduls 10 abfallenden Spannung, wobei das Diagramm der 10 durch Abscannen des Solarzellenmoduls 10 mit dem Lichtstrahl 32 entstanden ist. Die einzelnen Solarzellen erstrecken sich mit ihrer Längsrichtung dabei parallel zur X-Achse und die Ausdehnung der einzelnen Zellen in Y-Richtung ist beispielsweise anhand der Bereiche 50, 52 und 54 zu erkennen. Der Bereich 50 zeichnet sich durch eine gemessene Spannung von annähernd 0 mV aus und es ist damit davon auszugehen, dass im Bereich dieser Solarzelle ein vollständiger Kurzschluss vorliegt, beispielsweise durch elektrischen Kontakt zwischen dem Vorderseitenkontakt und dem Rückseitenkontakt an der Grenzlinie zwischen zwei Solarzellen, so dass sich auch bei Belichtung keine Spannung ausbilden kann. In gleicher Weise liegt der Bereich 54 bei etwa 0mV, so dass auch hier davon auszugehen ist, dass die entsprechende Solarzelle kurzgeschlossen ist. Im Bereich 52 zwischen den beiden kurzgeschlossenen Solarzellen bildet sich eine, wenn auch niedrige Spannung aus. Es ist daher davon auszugehen, dass diese Solarzelle keinen Kurzschluss aufweist.

Eine normal hohe Spannung ist im Bereich 56 zu beobachten, der am Außenrand des Solarzellenmoduls liegt. Insgesamt ist anhand der Darstellung der 5 zu erkennen, dass auch bei schwacher Belichtung, d.h. mit einer Intensität des Lichtstrahls 32, bei der der Widerstand des belichteten Abschnitts der Solarzelle größer oder gleich dem Widerstand des nicht belichteten Abschnitts ist, durchaus Aussagen über die räumliche Verteilung von Kurzschlüssen und die Stromgeneration, auch innerhalb einer Solarzelle, gemacht werden können. Bemerkenswert ist dabei, dass diese Aussagen bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens über einzelne Solarzellen im Solarzellenmodul 10 gemacht werden können, obwohl ja lediglich die Außenanschlüsse 16, 18 des Solarzellenmoduls 10 zugänglich sind.

Die Darstellung der 6 zeigt den aufgenommenen Signalpegel über der Modulationsfrequenz des Lichtstrahls 32. Anhand der Kurve der 6 ist zu erkennen, dass der Lichtstrahl 32 während der Messung auf ein- und demselben Punkt auf dem Solarzellenmodul 10 gehalten wird und die Modulationsfrequenz allmählich hochgefahren wird. In der logarithmischen Darstellung der 6 ist dadurch der Frequenzgang der gerade geprüften Solarzelle zu erkennen. Bis zu einer Frequenz von etwa 100 Hz wird der Signalpegel durch den ohmschen Shunt-Widerstand der Solarzelle bestimmt. Im Bereich bis etwa 10 kHz spielt dann die Kapazität der Solarzelle eine zunehmend dominierende Rolle, so dass ein komplexer Widerstand zu berücksichtigen ist. Bei hohen Frequenzen ab etwa 10 kHz wird dann die Kapazität der Solarzelle dominierend und kann aus der Kurve der 6 bestimmt werden. Im einzelnen liegt eine Fläche der geprüften Solarzelle bei A = 0,5 cm2. Bei bekannter Intensität des Lichtstrahls 32 kann davon ausgegangen werden, dass der Photostrom IPh bei 3,2 &mgr;A liegt. Wie bereits ausgeführt wurde, schwankt von Solarzelle zu Solarzelle der bei bekannter Intensität erzeugte Photostrom IPh nur gering, in jedem Fall schwankt die Größe des Photostroms bedeutend weniger als die Veränderung des komplexen Widerstandes dieser Solarzelle durch lokale Defekte. Es kann daher ohne weiteres für die Bestimmung des Shunt-Widerstandes und der Kapazität der Solarzelle davon ausgegangen werden, dass der Photostrom den sich durch die eingestrahlte Intensität und die Fläche des Lichtpunkts ergebenden Wert von 3,2 &mgr;A aufweist.

Im niederfrequenten Bereich kann man dadurch den Shunt-Widerstand zu 42 k&OHgr; berechnen und anhand der gemessenen Spannung von 0,3 mV bei 100 kHz ergibt sich die Kapazität der Solarzelle zu 34 nF/cm2. Diese Kapazität entspricht im Wesentlichen der Sperrschichtkapazität und die Bestimmung des Frequenzganges gemäß 6 lässt dadurch wichtige Rückschlüsse auf den Schichtaufbau der Solarzelle zu.

Eine weitere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens soll anhand der 7 erläutert werden. Parallel zu dem Solarzellenmodul 10 und parallel zu dem Spannungsmessgerät 12 ist zusätzlich eine ideale Stromquelle 60 zugeschaltet, mittels der in das Solarzellenmodul 10 ein konstanter Strom eingeprägt werden kann. Der von der Stromquelle 60 abgegebene definierte Strom fließt ausschließlich durch das Solarzellenmodul 10, aufgrund seines hohen Innenwiderstandes aber nicht über das Spannungsmessgerät 12. Anhand der Darstellung der 3 wurde bereits erläutert, dass das Einprägen eines konstanten Stroms mittels der Stromquelle 60 erfolgen kann. Durch Einprägen unterschiedlich großer konstanter Ströme mit der idealen Stromquelle 60 in das Solarzellenmodul 10 können nun unterschiedliche Arbeitspunkte auf der Kennlinie einer jeweiligen zu prüfenden Solarzelle S1, S2, ... Sn angefahren werden. In dem angefahrenen Messpunkt kann dann durch Modulieren der Intensität des Lichtstrahls 32 und Erfassen der an den Ausgangsanschlüssen 16, 18 des Solarzellenmoduls abfallenden Spannung der differentielle Widerstand der Solarzelle an diesem Arbeitspunkt der Kennlinie ermittelt werden.

Dies ist anhand der 8 zu erkennen. Ein erster Arbeitspunkt P1 kann durch Einprägen eines konstanten Stromes I1 erreicht werden. Wie durch den vom Punkt P1 ausgehenden Doppelpfeil verdeutlicht ist, bewegt sich die an den Anschlüssen 16, 18 des Solarzellenmoduls 10 abgegriffene Spannung dann um den Punkt P1 herum entlang der Kennlinie 20. Bei Einprägen eines konstanten Stromes I2 gelangt man zum Arbeitspunkt P2 auf der Kennlinie 20 und bei Einprägen eines Stromes I3 gelangt man dem Arbeitspunkt P3. Erkennbar lässt sich dadurch der Kennlinienverlauf der Kennlinie 20 in den Punkten P1, P2 und P3 und damit auch der differentielle Widerstand der gerade geprüften Solarzelle in den jeweiligen Arbeitspunkten P1, P2 und P3 bestimmen.


Anspruch[de]
Verfahren zum Prüfen von Solarzellenmodulen (10) mit mehreren, in Serie geschalteten Solarzellen (S1, S2, ..., Sn) mittels eines Messgeräts (12), mit den Schritten:

– Beleuchten einer der mehreren Solarzellen (S1, S2, ..., Sn) mit einem Lichtpunkt,

gekennzeichnet durch

– Ableiten des in der mit dem Lichtpunkt belichteten Solarzelle erzeugten Photostroms in der belichteten Solarzelle selbst und

– Gleichzeitiges Messen der über das Solarzellenmodul (10) abfallenden Spannung.
Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch Abscannen der Solarzellenoberfläche mit dem Lichtpunkt und fortlaufendes Erfassen der über das Solarzellenmodul (10) abfallenden Spannung. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch Modulieren des Lichts des Lichtpunkts zum Beaufschlagen der Solarzelle (S1 ... Sn), Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Beaufschlagen des Solarzellenmoduls (10) mit Hintergrundbeleuchtung. Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Einprägen eines konstanten Stroms in das Solarzellenmodul (10) und gleichzeitiges Beaufschlagen der Solarzelle (S1 ... Sn) mit einem Lichtpunkt mit intensitätsmoduliertem Licht zum Messen des differentiellen Widerstandes der Solarzelle (S1 ... Sn). Verfahren nach Anspruch 5, gekennzeichnet durch Anfahren mehrerer Kennlinienpunkte (P1, P2, P3) mittels Einprägen eines jeweils unterschiedlichen konstanten Stroms und Bestimmen des differentiellen Widerstandes der Solarzelle (S1, ... Sn) an diesen Messpunkten (P1, P2, P3). Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Beaufschlagen der Solarzelle (S1, ... Sn) mit einem Lichtpunkt mit Licht, das mit veränderbarer Frequenz moduliert ist, und gleichzeitiges Bestimmen des komplexen Widerstandes (Z1, ... Zn) der Solarzelle (S1, ... Sn). Verfahren nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtintensität des Lichtpunkts so schwach eingestellt wird, dass der Widerstand des belichteten Abschnitts der Solarzelle (S1, ... Sn) größer oder gleich zum Widerstand des nicht belichteten Abschnitts dieser Solarzelle (S1, ... Sn) ist. Verfahren nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtintensität des Lichtpunkts so stark eingestellt wird, dass der Widerstand des belichteten Abschnitts der Solarzelle (S1, ... Sn) gegenüber den nicht belichteten Abschnitten dieser Solarzelle (S1, ... Sn) klein ist. Prüfvorrichtung für Solarzellenmodule zum Durchführen des Verfahrens nach wenigstens einem der vorstehenden Ansprüche, mit einer, einen Lichtpunkt erzeugenden Lichtquelle (34) und einem Messgerät (12), dadurch gekennzeichnet, dass das Messgerät (12) als Spannungsmessgerät zur Erfassung der über ein zu prüfendes Solarzellenmodul (10) abfallenden Spannung ausgebildet ist und einen gegenüber dem Innenwiderstand des Solarzellenmoduls (10) wesentlich größeren Innenwiderstand aufweist. Prüfvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenwiderstand des Spannungsmessgeräts wenigstens das zehnfache des Widerstands des Solarzellenmoduls (10) beträgt. Prüfvorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (34) moduliertes Licht abgibt. Prüfvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle (34) moduliertes Licht mit einstellbarer Modulationsfrequenz abgibt. Prüfvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel (60) zum Einprägen eines konstanten Stroms in das Solarzellenmodul (10) vorgesehen sind. Prüfvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Mittel (60) zum Einprägen eines konstanten Stroms einen einstellbaren Strom einprägen können. Prüfvorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass eine zentrale Steuereinheit (46) vorgesehen ist, wobei eine Intensität der den Lichtpunkt erzeugenden Lichtquelle (34), eine Modulationsfrequenz des Lichts des Lichtpunkts, eine Einstellung eines in das Solarzellenmodul (10) eingeprägten Stroms eine Intensität einer Hintergrundbeleuchtung und/oder eine Position des Lichtpunkts auf dem Solarzellenmodul (10) mittels der zentralen Steuereinheit (46) vorgebbar ist.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

Anmelder
Datum

Patentrecherche

Patent Zeichnungen (PDF)

Copyright © 2008 Patent-De Alle Rechte vorbehalten. eMail: info@patent-de.com