Elektrolumineszenz-Messung (EL-Messung)

• Elektrolumineszenz PV: Kamerabasierte Elektrolumineszenz-Messungen (kurz: EL-Messungen) dienen neben der Leistungsmessung und der Thermographie dazu, bei bestehenden Solaranlagen Produktionsfehler oder Defekte in Solarmodulen schnell und kostengünstig zu identifizieren. Bei einer gewöhnlichen Wirkungsgrad-Bestimmung bleiben diese unerkannt.
• Warum PV-Anlage Messen? Während der Installation oder des Betriebs von PV-Anlagen kann es zu einer Beschädigung von PV-Modulen kommen. Die auftretenden Schäden können zu einem Leistungs- bzw. Ertrags- und damit Gewinnverlust der PV-Anlage führen.
• EL-Messung Verfahren: Zur sicheren Bestimmung des Schadenstyps wird die Elektrolumineszenz(EL)-Methode verwendet. Hierbei wird Strom in das PV-Modul injiziert, sodass es mit nahem Infrarot(NIR)-Licht leuchtet. Der Schadenstyp kann dann anhand einer NIR-Fotoaufnahme identifiziert werden.
• Diese Messmethode ist günstiger als elektrische Messungen der Leistung. Es fehlt allerdings die Quantifizierung des Leistungs- und somit Gewinnverlusts der PV-Anlage.

Im Falle von Solarzellen bzw. Solarmodulen wird die Elektrolumineszenz-Messung zur Ermittlung von Schäden. Dazu wird Licht aufgenommen, das durch die angelegte Spannung ausgesendet und sichtbar gemacht wird. Wie bei Leuchtdioden, beruht auch diese Lichtaussendung auf einer physikalischen Gesetzmäßigkeit: Die in die Solarzelle injizierten Elektronen rekombinieren mit den vorhandenen Löchern, sodass die frei werdende Energie in Form eines Photons abgegeben wird.

Im Unterschied zu herkömmlichen Leuchtdioden ist die Lumineszenzstrahlung von Silizium (der Solarzellen) für das menschliche Auge nicht sichtbar. Wir können nur Licht im Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 650 nm sehen. Die maximale Lumineszenzstrahlung von Silizium beträgt im infraroten Wellenlängenbereich nur 1150 nm.

Um Photonen zu erzeugen, wird das Photovoltaik-Modul mit einer Gleichspannung belegt. Durch eine Rückwärtsbestromung des PV-Moduls bzw. Modulstrangs kann die entstehende elektromagnetische Strahlung sichtbar gemacht werden. Für die Messung der Lumineszenzstrahlung von PV gibt es eine spezielle Kamera. Bei Silizium-Zellen sind das z. B. gekühlte Silizium-(Si)-CCD-Kameras.

Bei jeder EL-Messung PV wird zudem ein „Dunkelbild“ aufgenommen, wenn keine Spannung am gemessenen PV-Modul liegt. Dieses Dunkelbild wird dann vom Lumineszenzbild abgezogen. So entfernt das Verfahren verbleibendes Streulicht und Verzerrungen durch das Dunkelrauschen der Kamera aus dem Elektrolumineszenz-Bild. Nur so lassen sich EL-Bilder analysieren. Im nahezu Dunkeln sind EL-Messungen auch an Photovoltaik-Anlagen möglich.

Die Reduzierung der Konzentration der angeregten Elektronen werden dann im Elektrolumineszenzbild sichtbar. Dabei sind nicht alle Unterschiede Modulfehler:

• Leuchtende Modulbereiche sind die photovoltaisch aktiven Teile der Solarzelle, nicht leuchtende Bereiche sind meist die Verbinderbändchen und der Kontaktfinger.
• Grau marmorierte Stellen weisen auf Bereiche mit einer hohen Fehlstellendichte im Siliziumkristall hin. Diese Fehlstellen sind aber eine typische Eigenschaft polykristallinen Siliziums und kein Fehler in der Solarzellenherstellung.

Werden im Anlagen-Monitoring Ertragsverluste registriert, so gibt es u. a. die Möglichkeit der Elektrolumineszenz-Messung (EL-Messung). Sie kann Schäden an der Solaranlage wie z. B. defekte Bypass-Dioden, ausgefallene Module oder Zellen, Micro-Cracks und Zellbrüche zu aufspüren.

Fehler wie Microrisse, defekte Zellteile oder schadhafte Bypass-Dioden lassen sich mit dem bloßen Auge nicht erkennen. Um diese gezielt aufzudecken, eignet sich die Elektrolumineszenz-Messung (EL-Messung). Diese Technik gehört zu den bildgebenden Verfahren und macht es möglich, ähnlich wie Röntgenstrahlen, das Innere einer Solarzelle zu beleuchten.

Bei der EL-Messung wird eine sogenannte Rückwärtsbestromung durchgeführt. Bei der Rückwärtsbestromung legt man mit einem speziellen Gerät Strom auf den Modulstrang, wodurch eine elektromagnetische Strahlung entsteht. Diese Strahlung lässt sich von einer speziellen Kamera im Dunkeln aufnehmen, weshalb die Messungen am einfachsten nachts durchgeführt werden.

• Die angeschlossenen Module einer Reihe fangen dann an zu glimmen, vergleichbar mit LEDs. Das Leuchten liegt visuell im Nahinfrarotbereich und ist mit einer normalen Foto- oder Wärmebildkamera nicht sichtbar. Zeigen sich dunkle Zellbereiche oder bleiben Module komplett schwarz, so sind die Solarzellen defekt.
• Für eine schnelle und effiziente Messung während der Nacht sind drei bis vier Personen erforderlich. Eine Person bedient die Kamera, eine weitere steuert das Netzgerät während zwei Teammitglieder die Strings anklemmen. Wichtig dabei: Alle Beteiligten müssen in der Lage sein, ständig miteinander zu kommunizieren (z. B. über Walky-Talky-Geräte). Darüber hinaus bedarf die Kamera der permanenten Kühlung, um eine Überhitzung zu vermeiden.
• Gerade bei großen Solarparks ergibt sich zudem die Herausforderung weiter Kabelwege. Denn das gesamte Equipment zur Elektrolumineszenz-Messung braucht durchgehend Stark-Strom. Für die Vermessung eines ganzen Solarparks in der Größe von 1 MW bedarf man rund 3 bis 4 Nächte.

Grundsätzlich gilt, nicht jeder Riss ist kritisch und das Solarmodul muss nicht sofort ausgetauscht werden. Weisen Module jedoch großflächig, dunkle (elektrisch nicht aktive Bereiche) auf, können die Solarmodule eine entsprechende Minderleistung aufweisen. Ob diese elektrisch inaktiven Bereiche vor oder nach der Produktion aufgetreten sind und wie hoch eine Leistungsminderung ist, kann nur eine Leistungsmessung der PV-Module klären. Ebenso gibt es bisher keine fundierten Erkenntnisse darüber, ob Mikrorisse in den nächsten Jahren wachsen und zu Zellbruch führen.