Neue Prüfverfahren für Dünnschicht-Solarmodule

Forschungsinstitut ZSW erweitert Testlabor „Solab“ zur besseren Vorhersage von PV-Erträgen

Die boomende Dünnschichtphotovoltaik benötigt genauere und effizientere Messverfahren. Zu diesem Zweck hat jetzt das Forschungsinstitut ZSW sein Dünnschicht-Testlabor „Solab“ erweitert. Mit Sonnensimulation, Vorbeleuchtung, Klima- und Belastungstests wollen die Solarforscher grundlegende Messverfahren entwickeln, die an die spezifischen Erfordernisse der Dünnschichttechniken angepasst sind. Die neuen Verfahren werden zusammen mit der Solarindustrie entwickelt. Ziel ist eine bessere Vorhersage der PV-Erträge. Die Verfahren und die einzigartige materialwissenschaftliche Forschung am Institut sollen Hersteller bei der Entwicklung von Dünnschicht-Solarzellen mit mehr Leistung und Lebensdauer unterstützen. Das Testzentrum wurde mit Vertretern der europäischen Solarforschung und -Industrie am 2. Februar eröffnet.

Bis 2006 lag der Marktanteil der Dünnschichtphotovoltaik noch im einstelligen Prozentbereich. Für 2010 werden bereits 20 bis 30 Prozent prognostiziert. „In diesem dynamischen Markt werden verlässliche Daten zur Qualität der Dünnschichtmodule immer wichtiger. Hersteller und Zertifizierer brauchen dafür aber genauere Messverfahren“, sagt Dr.
Michael Powalla, Mitglied im ZSW-Vorstand und Geschäftsbereichsleiter Photovoltaik. „Unser neues Testlabor ‚Solab’ ist jetzt in der Lage, auf Dünnschichtmodule verschiedenster Hersteller zugeschnittene, standardisierte Messverfahren zu entwickeln. Der Industrie erspart das den Aufbau zusätzlicher Kapazitäten.“

Bisher haben Forschung und Industrie für die Dünnschichttechnik noch keine ausreichend präzisen Prüfverfahren für Nennleistung und Langzeitstabilität. Das kann mitunter gravierende Auswirkungen für Errichter und Betreiber von PV-Anlagen haben: Nur fünf Prozent Unterleistung einer Ein-Megawatt-Anlage schlagen mit rund 13.000 Euro Verlust pro Jahr zu Buche.

In diese Wissenslücke stößt jetzt das Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW). Das Institut hat sich im Bereich der Photovoltaik seit den 90er Jahren auf die Erforschung und Entwicklung der Dünnschichttechnik spezialisiert. Mit dem TÜV Rheinland und der Industrie will das ZSW in einem Forschungsprojekt des Bundesumweltministeriums bessere Testnormen für Labor und Freifeld entwickeln. Durch die Ergebnisse versprechen sich die Forscher auch ein besseres physikalisches Verständnis, das durch die materialwissenschaftliche Kompetenz des Instituts ideal ergänzt wird.
Gerade die Verknüpfung von exakten Freifeldmessungen auf Modul- und Systemebene mit beschleunigten Alterungstests im Labor werden für Produzenten und Betreiber die Vorhersagbarkeit der Erträge verbessern.

Dem erweiterten Solarlabor, kurz „Solab“, stehen neben den bereits bestehenden Klimakammern und einem Sonnensimulator der Klasse AAA neue Geräte zur Verfügung. Der Sonnensimulator kann künftig auch Module bis zu einer Diagonale von 3,4 Metern untersuchen. Durch die Verknüpfung der Labormessungen mit den Freilandtests auf dem Solar-Testfeld Widderstall entstehen einzigartige Untersuchungsbedingungen, die zu neuen Erkenntnissen führen sollen.

Ein neuer Lichttisch unterzieht die Module einer definierten Vorbeleuchtung, dem sogenannten „Light-Soaking“. Erst danach kommen sie unter den Sonnensimulator. Bei Dünnschichtmodulen ist eine einheitliche Vorbehandlung nötig, da sie je nach Technologie unterschiedlich auf Dunkelheit und Licht reagieren. Werden beispielsweise CIS-Module vor der Messung in der Dunkelheit gelagert, verfälscht das die Leistungsmessung.
Hersteller mussten daher unter Umständen in den Produktangaben einen niedrigeren Wirkungsgrad als tatsächlich erreicht angeben. Das verschlechterte die Marktchancen. Mit dem Lichttisch wird es hier künftig präzisere Daten geben.

In UV-Tests wird geprüft, ob die Kunststoffkomponenten durch Sonnenlicht in Mitleidenschaft gezogen werden. Die Forscher interessiert aber auch, ob das blaue UV-Licht als alternative Vorbeleuchtungsquelle einsetzbar ist. Es ist bislang nicht ausreichend erforscht. Möglicherweise könnte das die Vorbeleuchtungszeit drastisch reduzieren und Kosten sparen. Die Tests zur Zug- und Druckbelastung werden ebenfalls künftig schneller durchgeführt, da der Umbau des Moduls entfällt. Diese Prüfung ist besonders wichtig beim Einsatz von Dünnschicht-Solarmodulen für die Gebäudeintegration, für die sie sich aufgrund ihres homogenen Aussehens besonders eignen.
Die neuen Messverfahren sollen zugleich Schwachstellen der Module systematisch aufdecken, um sie per materialwissenschaftlicher Ursachenforschung zu erklären. Das hilft den Herstellern, ihre Produkte hinsichtlich Leistung und Lebensdauer zu optimieren. Firmen können vom „Solab“ sowohl hinsichtlich neuer als auch bestehender Produkte profitieren. Ziel ist es, das Marktwachstum der Dünnschichttechnik weiter zu beschleunigen.

Das ZSW gehört zu den renommiertesten Forschungsinstituten auf den Gebieten Photovoltaik, Energiesystemanalyse, regenerative Kraftstoffe, Batterietechnik und Brennstoffzellen. 2006 brachte das Institut die CIGS-Dünnschichttechnik mit einem Industriepartner zur Industriereife. An den drei Standorten Stuttgart, Ulm und Widderstall sind derzeit rund 170 Wissenschaftler, Ingenieure und Techniker beschäftigt. Sie erwirtschaften einen Umsatz von über 20 Millionen Euro.