Mit der Digitalkamera preisgünstig Fehler in Solarmodulen erkennen

Zwei Masterstudenten der FH Münster haben ein Verfahren entwickelt, um Solarzellen auf preiswerte Art und Weise auf Fehler zu untersuchen. Grundsätzlich neu ist das Verfahren nicht, allerdings wurden bislang teure Spezialkameras dafür benötigt, weswegen diese Untersuchung nur von wenigen Speziallaboren durchgeführt werden konnte. Den beiden Studenten Thomas Stegemann und Tobias Stöppel gelang es, eine normale Digitalkamera so zu modifizieren, dass sie für diese Untersuchung genutzt werden kann.

Risse und Kontaktfehler

Die Leistung eines Photovoltaik Moduls kann aufgrund verschiedener Defekte abnehmen. An erster Stelle sind hier Fehler an den Kontaktstellen zwischen den einzelnen Bereichen der Zelle zu nennen. Ein Photovoltaik Modul besteht aus einer Vielzahl einzelner kleiner Solarzellen, die über elektrische Kontakte in Reihe geschaltet werden. Ein unsauberer Kontakt führt dazu, dass an dieser Stelle ein hoher elektrischer Widerstand auftritt (Hot Spot), der die Leistung der gesamten Photovoltaikanlage deutlich reduziert. Solarzellen der ersten Generation konnten durch einen solchen Fehler sogar gänzlich außer Gefecht gesetzt werden, wenn der Stromkreis an dieser Stelle unterbrochen wurde. Heutige Zellen enthalten eine elektrische Überbrückung, die den Strom an defekten Einzelmodulen vorbeileitet. Diese Überbrückung dient übrigens auch dazu, die Auswirkungen eines punktuellen Schattenwurfs zu minimieren. Befindet sich ein kleiner Teil einer Photovoltaikanlage im Schatten, ist der elektrische Widerstand dort deutlich größer. Das führt zu einer lokalen Aufheizung, die nicht nur die Leistung beeinträchtigt, sondern sogar eine Brandgefahr birgt. Auch aus diesem Grund müssen Zellen mit hohem Widerstand überbrückt werden. Eine weitere häufige Fehlerquelle sind feine Risse in den Modulen, die ebenfalls Leistungseinbußen mit sich bringen.

Elektrolumineszenz deckt Fehler auf

Eine Solarzelle wandelt Licht in Strom um, indem durch das einfallende Licht Elektronen von ihren Atomen gelöst werden und damit frei beweglich sind. Die Bewegung dieser Elektronen erzeugt den elektrischen Strom. Das funktioniert jedoch auch in umgekehrter Richtung. Wird an eine Solarzelle eine äußere Spannung angelegt, führt dies dazu, dass Elektronen sich wieder mit den Atomen verbinden, wobei Licht ausgestrahlt wird. Es wird also Strom in Licht umgewandelt statt Licht in Strom. Die Solarzelle wird zur Leuchtdiode. Dieser Vorgang wird als Elektrolumineszenz bezeichnet. Der Witz des Verfahrens besteht nun darin, dass auch dieser umgekehrte Vorgang an fehlerhaften Stellen ineffektiv wird, die zum Leuchten angeregte Solarzelle bleibt an diesen Stellen also dunkel. Aber es geht sogar noch besser: Wird die äußere Spannung in Gegenrichtung zum Normalbetrieb der Solarzelle angelegt, entsteht gewissermaßen ein Negativ dieses Bildes. Die intakten Bereiche der Zelle bleiben dunkel, die defekten Stellen sind als scharf begrenzte helle Bereiche zu erkennen. Den beiden Studenten der FH Münster gelang es diese Fehler mit einer modifizierten Digitalkamera darzustellen.

Bildquelle: fh-muenster.de/Prof. Dr. Konrad Mertens