Elektrolumineszenz-Messung (EL-Messung)

Kamerabasierte Elektrolumineszenz-Messungen (kurz: EL-Messungen) sind neben der Leistungsmessung und der Thermographie eine praktikable Option, um bei bestehenden Solaranlagen Produktionsfehler oder Defekte in Solarmodulen schnell und kostengünstig zu identifizieren, die bei einer gewöhnlichen Wirkungsgradbestimmung nicht erkannt worden wären.

• 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.
• Zur sicheren Bestimmung des Schadenstyps wird die Elektrolumineszenz(EL)-Methode verwendet. Hierbei wird Strom in das PV-Modul injiziert, so dass 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.

„Elektrolumineszenz (EL), auch Destriau-Effekt genannt, ist eine Form der Lumineszenz, bei der ein Festkörper durch Anlegen eines elektrischen Feldes bzw. einer elektrischen Spannung dazu angeregt wird, elektromagnetische Strahlung, z. B. in Form von Licht, zu emittieren.“ (Wikipedia)

Im Falle von Solarzellen bzw. Solarmodulen wird der Elektrolumineszenz-Effekt genutzt, um Schäden festzustellen. Dazu wird das durch die angelegte Spannung ausgesendete Licht aufgenommen und sichtbar gemacht. Wie bei Leuchtdioden auch, beruht diese Lichtaussendung darauf, dass die in die Solarzelle injizierten Elektronen mit den vorhandenen Löchern rekombinieren, sodass die in diesem Vorgang frei werdende Energie in Form eines Photons abgegeben wird.

Im Unterschied zu herkömmlichen Leuchtdioden ist das von den Solarzellen ausgesendete Lumineszenzstrahlung von Silizium hingegen für das menschliche Auge nicht sichtbar. Denn während wir nur Licht im Wellenlängenbereich zwischen 400 nm und 650 nm sehen können, beträgt die maximale Lumineszenzstrahlung von Silizium im infraroten Wellenlängenbereich gerade einmal 1150 nm.

Um Photonen zu erzeugen, wird das Photovoltaik-Modul wird mit einer Gleichspannung beaufschlagt. Um nun die durch eine Rückwärtsbestromung des Moduls bzw. Modulstrangs entstehende elektromagnetische Strahlung sichtbar zu machen, bedarf es einer speziellen Kamera zur Messung der Lumineszenzstrahlung. Für Silizium-Zellen lassen sich z. B. gekühlte Silizium-(Si)-CCD-Kameras verwenden.

Bei jeder EL-Messung wird zudem ein „Dunkelbild“ aufgenommen, wenn keine Spannung am zu messenden PV-Modul anliegt. Dieses Dunkelbild wird dann vom Lumineszenzbild abgezogen, sodass verbleibendes Streulicht und Verzerrungen durch das Dunkelrauschen der Kamera aus dem EL-Bild eliminiert werden. 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 gleich Modulfehler:

• Leuchtende Modulbereiche sind die photovoltaisch aktiven Teile der Solarzelle, nicht leuchtende Bereiche sind idR 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 multikristallinen 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), um Schäden an der Solaranlage wie z. B. defekte Bypass-Dioden, ausgefallene Module oder Zellen, Micro-Cracks und Zellbrüche zu detektieren.

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 ganzes 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.