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Degradation von Solarmodulen im Vergleich

Was ist Degradation? Welche Rolle spielt sie für den Betrieb von Solaranlagen? Welche Faktoren beeinflussen die Degradation?

Als Degradation wird allgemein ein Prozess bezeichnet, der eine Leistungsminderung bei Solarmodulen zur Folge hat und im Verlauf der Zeit auftritt. Bei der Ermittlung der Erträge einer Photovoltaikanlage spielt die Degradation eine Rolle und ist von daher mit zu berücksichtigen.

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Ursachen und Arten einer Moduldegradation

Die Degradation von Solarmodulen lässt sich in die lichtinduzierte, potenzialinduzierte und alterungsbedingte Degradation unterscheiden. (Grafik: energie-experten.org)
Die Degradation von Solarmodulen lässt sich in die lichtinduzierte, potenzialinduzierte und alterungsbedingte Degradation unterscheiden. (Grafik: energie-experten.org)

Eine Abnahme der Leistung von Photovoltaikmodulen kann durch verschiedene Ursachen bedingt sein. Hierzu zählen u.a. eine Verschattung der Module, die Dachneigung, die Umgebungstemperatur und die Degradation. Unter dieser versteht man die rein technische Beeinträchtigung der Module in ihrer Fähigkeit, Solarstrahlung in Solarstrom umzuwandeln.

Grundsätzlich unterscheidet man dabei die lichtinduzierte, die potenzialinduzierte und die alterungsbedingte Degradation. Während die licht- und potenzialinduzierte Degradation jedoch nur einmalig wirken und die Modulleistung darauffolgend dauerhaft unter dem Ausgangsniveau liegt, ist die altersbedingte Degradation ein fortwährender Prozess mit stetig abnehmender Modulleistung.

Die lichtinduzierte Degradation (LID) tritt in der Anfangszeit nach der Installation der Solarmodule auf, nämlich dann, wenn die Solarmodule erstmals mit Licht in Berührung kommen, und betrifft nur amorphe Module (Dünnschichtmodule). Die potenzialinduzierte Degradation kann hingegen bei allen Modulen in hauptsächlich ungeerdeten Anlagen unter negativen Spannung auftreten. Die altersbedingte Degradation beruht demgegenüber auf natürlichen Alterungserscheinungen der Module.

Lichtinduzierte Degradation (LID) von Solarmodulen

Forscher am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) haben festgestellt, das durch Licht erzeugte Ladungsträger (h+) atomare Bindungen aufbrechen. Die Hohlräume verschlechtern die Effizienz von Dünnschichtzellen um etwa 10 bis 15 Prozent. (Grafik HZB)
Forscher am Helmholtz-Zentrum Berlin (HZB) haben festgestellt, das durch Licht erzeugte Ladungsträger (h+) atomare Bindungen aufbrechen. Die Hohlräume verschlechtern die Effizienz von Dünnschichtzellen um etwa 10 bis 15 Prozent. (Grafik HZB)

Von der lichtinduzierten Degradation sind nicht alle Solarmodule gleichermaßen betroffen. Besonders stark ist sie bei Solarmodulen, die aus amorphen Silizium gefertigt sind, den sogenannten Dünnschichtmodulen. Diese reagieren bei erstmaliger Bestrahlung mit Licht mit einer Verringerung ihrer Dunkel- bzw. Photoleitfähigkeit, wodurch ihre Leistungsfähigkeit beeinträchtigt wird. Die so genannte Anfangsdegradation tritt jedoch nur in den ersten 1.000 Betriebsstunden der Dünnschichtsolaranlage auf. Nach Ablauf von rund 1.000 Betriebsstunden stabilisiert sich der Wirkungsgrad der Solarmodule auf einem niedrigeren Niveau und bleibt von nun an annähernd konstant.

Der rapide Verlust an Leistung um einige Prozentpunkte ist den Herstellern bekannt und wird in den Angaben zur Nennleistung der Solarmodule mit einberechnet. Der Wert, der angegeben wird, berücksichtigt somit die lichtinduzierte Degradation. Nach Ablauf der ersten lichtinduzierten Degradation ähnelt die Zellalterung der von polykristallinen Modulen.

Ursachen für lichtinduzierte Anfangsdegradation

Die Anfangsdegradation von Solarmodulen wird auf den Staebler-Wronski Effekt zurückgeführt. Dieser Effekt beschreibt die Veränderungen in amorphen Siliziumzellen, die durch die Lichteinwirkung hervorgerufen wird. Die zwei Wissenschaftler D.L. Staebler und C.R. Wronski haben als erste diesen Effekt beobachtet und beschrieben. Nach der anfänglichen Degradation tritt der Effekt nicht mehr auf und die Dünnschichtsolarzellen altern kaum noch. Eine starke Anfangsdegradation wurde bislang nur bei den amorphen Siliziumzellen festgestellt. Bei CIS-Zellen wurde dieser Effekt nicht beobachtet. Hier läuft die übliche Degradation wie bei kristallinen Modulen ab.

Die Ursache für das Entstehen und Auftreten der Anfangsdegradation nach Inbetriebnahme der Solarmodule ist wissenschaftlich noch nicht bis ins Detail geklärt und es werden unterschiedliche Wirkungsmechanismen verantwortlich gemacht. Eine Ursache wird im Entstehen von Bor-Sauerstoff-Komplexen in den Solarzellen gesehen, die sich bei längerem Kontakt mit Licht in den Solarzellen bilden und deren Leitfähigkeit beeinträchtigen. Jedoch sind davon nicht alle Solarmodule in gleicher Weise betroffen. Andere Wissenschaftler sehen sogenannte Microvoids (Cluster-Defekte im amorphem Silizium an Oberflächen von winzigen Hohlräumen) als ursächlich.

Wissenschaftliche Untersuchungen haben gezeigt, dass der Staebler-Wronski Effekt rückgängig gemacht werden kann, indem die Solarmodule mit Wärme behandelt werden. Werden Solarzellen auf 150 Grad Celsius über mehrere Stunden hinweg erwärmt, lassen sich die Bor-Sauerstoff-Komplexe wieder unschädlich machen. Diesen Vorgang bezeichnet man als Annealing. Er wurde ebenso bei hohen Betriebstemperaturen der Solarzellen, wie sie im Sommer vorherrschen, beobachtet.

Auftreten lichtinduzierter Anfangsdegradation

Vermehrt tritt der Effekt bei Solarzellen des sogenannten p-Typ Siliziums auf, welches in der Ingotfertigung mit Bor dotiert wurde. Das betrifft allerdings die überwiegende Mehrheit der kristallinen Module, da sie aus dieser Art von Silizium hergestellt werden. Durch einen sparsamen Einsatz von Bor, kann der Effekt verringert werden. Eine weitere Möglichkeit den Effekt zu beeinflussen, besteht darin möglichst wenig Sauerstoff in das flüssige Silizium diffundieren zu lassen. Hier müsste das Verfahren zum Ziehen des Ingots bei der Herstellung verändert werden, was jedoch recht aufwendig wäre. Das Verfahren hat sich bislang in der Industrie nicht durchgesetzt.

Die lichtinduzierte Degradation ist bei kristallinen Modulen hingegen kaum nennenswert. In den ersten Tagen nach ihrer Inbetriebnahme liegt die Anfangsdegradation bei kristallinen Modulen je nach verwendetem Material bei ein bis zwei Prozent. Diese wird bei der Deklarierung des Wirkungsgrades der Module ebenfalls berücksichtigt, d.h. die deklarierte Nennleistung der Module bezieht sich auf den Betrieb nach der Anfangsdegradation und die Module erbringen die angegebene Leistung.

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Potentialinduzierte Degradation (PID) von Solarmodulen

Das Fraunhofer CSP prüfte 2012 verschiedene Solarmodule auf ihre PID-Empfindlichkeit. Nur knapp ein Drittel der Module haben den Test mit einer Leistung größer als 98 Prozent der Ausgangsleistung bestanden. (Grafik: Fraunhofer CSP)
Das Fraunhofer CSP prüfte 2012 verschiedene Solarmodule auf ihre PID-Empfindlichkeit. Nur knapp ein Drittel der Module haben den Test mit einer Leistung größer als 98 Prozent der Ausgangsleistung bestanden. (Grafik: Fraunhofer CSP)

Daneben gibt es jedoch auch eine Modul-Degradation durch die Art der PV-Installation. So wird seit einigen Jahren in Anlagen mit hoher Systemspannung und trafolosen Wechselrichtern ein Leistungsverlust festgestellt, der laut einer Untersuchung des Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik (CSP) bei einigen Modulen Verluste von bis zu 30 % verursachen können.

Dieser Effekt wird als potenzialinduzierte bzw. spannungsinduzierte Degradation (PID) bezeichnet. Als Ursache gelten sogenannte Leckströme. So tritt die potenzialinduzierte Degradation häufig bei ungeerdeten PV-Systemen bei negativen Spannung gegenüber dem Erdpotential auf und können durch hohe Systemspannungen, hohe Temperaturen und hohe Luftfeuchtigkeit begünstigt werden.

Die PI-Degradation kann verhindert werden, indem ein Wechselrichter mit der Möglichkeit zur Erdung des positiven oder negativen Poles verwendet wird. Zudem lassen auch Hersteller ihre Module auf PID-Resistenz testen. Unabhängige PID-Tests bieten u.a. das Prüfinstitut PI Photovoltaik-Institut Berlin und die Underwriters Laboratories (UL) an. Die Module werden dabei bei 85°C und einer relativen Luftfeuchtigkeit von 85 % über einen Zeitraum von 48 Stunden getestet und vor und nach dem Test eine UI-Messung nach IEC60904 und eine Elektrolumineszenz-Analyse nach PI Standard Testbedingungen (STC) durchgeführt.

Altersbedingte Degradation von Solarmodulen

Die altersbedingte Degradation entsteht aufgrund von Verschleißerscheinungen bei den Solarmodulen. Hier wirken insbesondere äußere Einflussfaktoren auf die Module ein und können die Leistung beeinträchtigen. Allerdings wird der Grad der Beeinflussung bei der altersbedingten Degradation als nicht besonders hoch eingeschätzt. Mono- und polykristalline Solarmodule weisen laut Fraunhofer ISE ähnliche Degradationswerte von etwa 0,1 Prozent im Jahr auf. Andere gehen von einer Leistungsbeeinträchtigung von rund 0,5 Prozent im Jahr aus. Die Leistungseinbußen bei der lichtinduzierten Degradation sind deutlich höher.

Ursachen für altersbedingte Moduldegradation

Für die altersbedingte Degradation verantwortlich gemacht werden kristalline Verhärtungen im Halbleiter-Material. Sie entstehen durch chemische Reaktionen. Interkristalline Rekombinationsvorgänge behindern dann den Elektronenfluss. Diese Erscheinungen lassen sich jedoch bislang auf wirtschaftlich sinnvolle Weise nicht beheben.

Neben der kristallinen Verhärtung werden weitere Faktoren für die Leistungsbeeinträchtigung von Solarmodulen verantwortlich gemacht. Dazu zählen die Verschmutzung von Solarzellen, Verschattungseffekte oder Alterserscheinungen anderer Elemente der Solarmodule. Gegen Verschmutzung hilft zum einen Regen, der selbstreinigend wirkt und zusätzlich die Reinigung der Photovoltaikanlage durch spezielle Reinigungsfirmen. Das empfiehlt sich besonders bei Solaranlagen, die einen flachen Aufstellwinkel haben oder sich in der Nähe von Staubquellen oder Laubabwurf befinden.

Degradation und Hersteller-Leistungsgarantien

Da sich Alterungseffekte von Solaranlagen sonst kaum beeinflussen lassen, geben die Hersteller häufig einer der jeweils maximal zu erwartenden Degradation entsprechende Leistungsgarantie auf ihre Module von 20 bis 25 Jahren, manche sogar 30 Jahre. Leistungsfähig sind Solaranlagen im Normalfall sogar bis zu 35 oder 40 Jahren. Die meisten Leistungsgarantien sind gestaffelt. In der Regel werden 10 Jahre 90 Prozent des Wirkungsgrades garantiert, danach in der Regel 80 Prozent. Damit wird üblicherweise von einem Leistungsverlust von 0,5 Prozent im Jahr ausgegangen. Allerdings sind die Leistungsverluste real meist geringer, da die Degradation häufig langsamer vonstatten geht.

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"Degradation von Solarmodulen im Überblick" wurde am 14.03.2016 das letzte Mal aktualisiert.