Lock-In Thermographie an Dünnschicht PV -Modulen

Photovoltaik (PV) Dünnschichtmodule, wie z.B. CIGS (aktive Schicht: Kupfer-Indium-Gallium-Selenid), eröffnen einen neuen Weg, die Herstellungskosten von PV-Modulen zu senken. Jedoch treten während des Herstellungsprozesses Defekte auf, welche die elektrische Leistung des Moduls verringern. Es existieren verschiedene Defekte (z.B. Shunts, lokaler Kurzschluss innerhalb der photoaktiven Schicht), deren genaue Einflüsse aber noch wenig verstanden werden. Solche Defekte stellen durch die erhöhte Rekombination von Ladungsträgern eine lokale Wärmequelle dar. Lock-in Thermographie kann diese erhöhte Wärmestrahlung messen und somit Defekte innerhalb eines Moduls zweidimensional (bildgebend) abbilden.

Verglichen mit herkömmlicher Thermographie hat lock-in Thermographie den Vorteil einer höheren thermischen Auflösung, d.h. die Fähigkeit, wesentlich kleinere Temperaturunterschiede zu messen. Dies wird durch eine gepulste Anregung (z.B. Licht) bei einer gegebenen Frequenz und durch das Messen der Pulsantwort erreicht. Rauschwärmestrahlung, die unabhängig von der gepulsten Anregung ist, wird dadurch mit zunehmender Messzeit besser unterdruckt. ILIT (illuminated lock-in thermography) bezeichnet diese Methode bei Verwendung einer pulsbaren Lichtquelle, DLIT (dark lock-in thermography) beim Anlegen einer gepulsten Spannung oder eines gepulsten Stroms. Mit diesen Methoden können kleine Wärmequellen und somit auch geringe Defekte im Modul aufgespürt werden.


Abb. 1 zeigt ILIT-Nahauffnahmen (Draufsicht) zweier CIGS Testmodule, jeweils bestehend aus insgesamt 67 hintereinandergeschalteten Zellen, die am ZAE Bayern untersucht wurden. Die detektierte Wärmestrahlung wird von der aktiven CIGS Schicht emittiert, welche nur 3 µm dick ist und auf ein 3 mm dickes Glassubstrat aufgetragen wurde. Verschiedene Defekte, die mit bloßem Auge nicht sichtbar sind, können leicht als hot spots (helle Punkte) auf der lock-in IR-Aufnahme (infrarot) entdeckt werden. Modul B (rechts) zeigt ausgepragte Defekte (wei.er Pfeil) im Vergleich zu Modul A. Solche Schäden reduzieren die elektrische Leistung eines Moduls, die am Sonnensimulator gemessen wurde. Für Modul A ergibt sich eine Leistung von 855 mW unter Schwachlichtbedingungen (100 W/ m2) und bei einer Beleuchtungsstarke von 1000 W/m2 eine Leistung von 10,96 W. Modul B hingegen zeigt nur eine Leistung von 638 mW beziehungsweise 8,67 W.

Es wurden auch einzelne Zellen untersucht, wobei der Einfluss der Defekte im Schwachlichtbereich sehr ausgeprägt war. Abb. 2 belegt dies anhand der Darstellung der gemessenen Leerlaufspannung (Voc) in Abhängigkeit der Beleuchtungsstärke (Plight). Bei Zellen ohne Schäden steigt die Spannung schnell mit zunehmender Beleuchtungsstärke an und erreicht ungefähr 0,6 V für Plight über 70 W/m2. Je stärker der Defekt in einer Zelle, desto größer ist der Verlust an Spannung im Schwachlichtbereich.

Dieses Ergebnis, insbesondere wichtig in Ländern wie Deutschland mit einer niedrigen jährlichen Sonnenscheindauer, läßt auf einen signifikanten Verlust an Leistung (die von Voc abhängt) bei Modulen mit Defekten im Schwachlichtbereich schließen.

Zwei wichtige Vorteile von ILIT sind, dass es sowohl ein zerstörungsfreies als auch ein kontaktfreies Messverfahren ist. Daher ist ILIT eine sehr vielversprechende Methode für die Qualitätskontrolle, insbesondere in frühen Phasen des Herstellungsprozesses. Als nächstes sollen die Messeinrichtungen des ZAE Bayerns verbessert werden, um kurze Messzeiten zu ermöglichen. Des Weiteren wird an einem Testverfahren gearbeitet, das anhand einer ILIT Aufnahme die Leistung von PV-Modulen bestimmen kann. Weiterhin wird das Auftreten und die Ursache der Defekte untersucht, die während des Herstellungsprozesses in Dünnschichtmodulen entstehen, sowie deren Einfluss auf die Leistung und die Leerlaufspannung insbesondere bei Schwachlicht (ILIT-Voc Korrelation) bestimmt.

Fördermittelgeber: Bundesministerium für Umwelt, Naturschutz und Reaktorsicherheit (FKZ 0325149A)

 

Ansprechpartner

Dr. Claudia Buerhop-Lutz
Erneuerbare Energien
Tel.: +49 9131 9398-177
E-Mail: Claudia.Buerhop-Lutz@zae-bayern.de

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