Extremtest für Solarmodule: ZSW optimiert Prüfverfahren

| Redakteur: Gerd Kucera

Klimakammern im SOLAB des ZSW: Erkenntnisse über die IEC-Norm hinaus erhielten die Forscher, als sie einen deutlich extremeren PID-Test durchführten.
Klimakammern im SOLAB des ZSW: Erkenntnisse über die IEC-Norm hinaus erhielten die Forscher, als sie einen deutlich extremeren PID-Test durchführten. (Bild: ZSW/Alexander Fischer)

Das Nachlassen der elektrischen Leistung von Photovoltaik-Zellen aus kristallinem Silizium ist nicht sofort erkennbar; es entwickelt sich langsam im Laufe der Monate bis weniger Jahre. Ein verbessertes Prüfverfahren hilft den Ertragsverlust durch schleichende Leistungseinbuße für die Modul-Lebensdauer zu bestimmen.

Üblicherweise betrachtet man einen Lebensdauerzeitraum für Solarmodule von bis zu 25 Jahren. Über diesen Zeitraum (20 bzw. 25 Jahre) kalkulieren Experten einen Wirkungsgradverlust von 10% bis 13% ein. Für den Wirkungsgradverlust gibt es (materialbezogen) unterschiedliche Ursachen. Eine ist beispielsweise die spannungsinduzierte Degradation, die auch potenzialinduzierte Degradation genannt wird, kurz PID. Diese spannungsbedingte Leistungsminderung tritt bei kristallinen Photovoltaik-Modulen durch Leckströme auf, das sind Stromverläufe über einen Pfad, der nicht zur Leitung von Strom vorgesehen ist. Ein bis zu 30%-iger Leistungsverluste ist hierbei möglich.

Bei Photovoltaikmodulen kann sich im Fall eines Spannungsunterschiedes zwischen den Solarzellen und dem geerdeten Rahmen der Wirkungsgrad verschlechtern. Herkömmliche Module werden inzwischen gegen dieses Phänomen unempfindlich gemacht. Mit der aktuellen Steigerung der Systemspannung von 1000 auf 1500 V stellt sich jedoch erneut die Frage nach der PID-Beständigkeit. Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) hat nun in einem Projekt einen Extremtest entwickelt, der über die Standardprüfung hinausgeht und präzisere Aussagen über die Widerstandsfähigkeit der Solarmodule geben kann. Das Ergebnis der Belastungsprüfungen, die eine jahrzehntelange Betriebsdauer simulieren ist: Solarmodule mit bestimmten Einbettmaterialien als PID-Schutz verlören selbst nach rechnerisch 60 Jahren Betrieb praktisch keine Leistung durch PID. Für Investoren, Banken, Hersteller und Projektentwickler sind solche Langzeitprognosen wichtig, so das ZSW, um die Wirtschaftlichkeit von Solarprojekten einzuschätzen.

Dass die spannungsinduzierte Degradation prinzipiell bei allen Siliziumsolarzellen auftreten kann, ist seit mehr als zehn Jahren bekannt. Vor allem Einbettmaterialien verhindern den teilweise reversiblen PID-Effekt inzwischen verlässlich, heißt es. Testergebnisse von Modulen aus heutiger Produktion bestätigten dies. Die Prüfungen erfolgen gemäß der Norm IEC TS 62804-1 typischerweise bei angelegter Systemspannung von 1000 V und Temperaturen 85 °C über eine Dauer von 96 Stunden.

Die Spannung für Solarmodule steigt auf 1500 V

Seit wenigen Jahren werden jedoch immer mehr Solarmodule und Wechselrichter auf die Systemspannung 1500 V ausgelegt. Die Vorteile sind ein geringerer Materialaufwand, niedrigere Kosten und mehr Leistung. Besonders Eigentümer von Solarparks und gewerblichen Dachanlagen setzen auf diese Technologie. Die Prüfung der PID-Beständigkeit steht daher erneut auf der Tagesordnung.

Im Rahmen des europäischen Forschungsprogramms SolarEraNet haben sich Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler des ZSW zusammen mit den Unternehmen Specialized Technology Resources España und CS Wismar dieser Frage gestellt. Getestet haben die Partner Module mit zwei Typen von Zellen, eine PID-beständige und eine etwas PID-anfälligere Variante. Beide Zellen wurden einmal mit dem Einbettmaterial Standard-EVA (EVA-1), einmal mit einem verbesserten, hoch resistiven EVA (EVA-2) und schließlich mit einem Polyolefin-Elastomer (POE) kombiniert.

Alle untersuchten Modulvarianten hatten zuvor den bekannten Standard-PID-Test nach der IEC-Norm mit 1500 V bestanden. Nach der Prüfung verblieben mehr als 95% der Anfangsleistung – die Bandbreite des Wirkungsgradverlustes lag bei 1,0% bis 2,4%. Selbst eine Verlängerung der Testzeiten auf 600 Stunden brachte keine wesentliche Verschlechterung. Differenzierte Aussagen über die PID-Beständigkeit sein laut ZSW mit dem Test jedoch nicht möglich.

Extremtest liefert Daten zur PID-Empfindlichkeit

Erkenntnisse über die IEC-Norm hinaus erhielten die Forscher, als sie einen deutlich extremeren PID-Test durchführten. Er wirkt auf die Solarmodule ein wie eine jahrzehntelange Betriebsdauer und liefert dadurch realistische Lebensdauerdaten bezüglich der PID-Empfindlichkeit. Zu diesem Zweck kombinierten die Partner die stressreichen Komponenten des bekannten Tests und erhöhten die Prüfspannung um 67% auf 2500 V. Mit bis zu 1000 Stunden legten sie außerdem eine mehr als zehnmal längere Prüfzeit gegenüber der Norm an. Zusätzlich wurden die Module im Test mit einer leitfähigen Metallfolie auf der Vorderseite kontaktiert.

Die Ergebnisse: Module mit dem Einbettmaterial EVA-1 erleiden nach rechnerisch zwei Betriebsjahren im 1500-V-System einen Leistungsabfall von bis zu rund 5% durch PID. Die Wissenschaftler sind von dem Worst Case ausgegangen und haben Erholungseffekte nicht berücksichtigt. Module mit EVA-2 verhalten sich besser; erst nach 22 Jahren betrage der Leistungsabfall bis zu 5%. Module mit POE würden selbst nach 60 Betriebsjahren praktisch keinerlei Anzeichen von PID zeigen, so die ZSW-Berechnungen.

„Mit unserem neuen Test können wir künftig präziser als bisher die PID-Beständigkeit ermitteln“, konstatiert Peter Lechner, der Leiter des ZSW-Photovoltaik-Testlabors SOLAB, und fügt hinzu, „das Einbettmaterial der Solarmodule hat einen großen Einfluss auf die PID-Beständigkeit. Module mit POE sind hier absolut stabil.“

Das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW) gehört zu den führenden Instituten für angewandte Forschung auf den Gebieten Photovoltaik, regenerative Kraftstoffe, Batterietechnik und Brennstoffzellen sowie Energiesystemanalyse. An den drei ZSW-Standorten Stuttgart, Ulm und Widderstall sind derzeit rund 280 Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker beschäftigt. Hinzu kommen 100 wissenschaftliche und studentische Hilfskräfte. Das ZSW ist Mitglied der Innovationsallianz Baden-Württemberg (innBW), einem Zusammenschluss von 13 außeruniversitären, wirtschaftsnahen Forschungsinstituten.

Das Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) hat das SolarEraNet-Forschungsprojekt „NELL – Novel Encapsulant for long Lifetime High Voltage resistant PV Modules“ gefördert (Förderkennzeichen 0324229).

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