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Untersuchung von Alterungserscheinungen bei Fotovoltaikmodulen
eine Untersuchung an der TU Berlin am Institut für Elektrische Energietechnik aus dem Jahr 1997
1. Untersuchungsgegenstand
Seit mehr als 20 Jahren wird an der TU-Berlin Forschung im Bereich
der Solarenergie betrieben. Hierbei wurden in verschiedenen Jahren Fotovoltaikmodule
beschafft. Die ältesten Module stammen aus dem Jahr 1977 und befinden
sich zusammen mit neueren Modulen auf dem Dach den Institutsgebäudes.
Bild 1 zeigt eine Gesamtansicht der Fotovoltaikanlage, wobei die verschiedenen
Modulfelder aus unterschiedlichen Jahren stammen.

Bild 1: Gesamtansicht der Fotovoltaikanlage auf dem Dach des Elektrotechnik-Gebäudes
der TU-Berlin
Da einige Module bereits starke optische Schäden aufweisen,
wurde im Sommer 1997 eine umfangreiche Analyse der Alterungserscheinungen
der Module durchgeführt, die eine visuelle Überprüfung
und eine elektrische Leistungsüberprüfung umfasste. Anhand
der Ergebnisse dieser Untersuchung können generelle Aussagen über
die zu erwartende Lebensdauer und das Auftreten von Alterungserscheinungen
getroffen werden. Weiterhin können anhand der Untersuchungen Abschätzungen
der Leistungseinbußen aufgrund bestimmter Alterungserscheinungen
erfolgen, die sich auch auf andere Module übertragen lassen.
Insgesamt wurden 98 Module aus vier verschiedenen Baureihen aus den
Jahren 1977, 1982 und 1984 untersucht. Von sämtlichen Modulen wurden
die U-I-Kennlinien gemessen und daraus die MPP-Leistung bei Standardtestbedingungen
bestimmt. Diese Leistung wurde dann mit den Herstellerangaben aus den jeweiligen
Datenblättern (siehe Tabelle 1) verglichen und Aussagen über
Leistungseinbußen und Fehler einzelner Module gemacht.
Tabelle 1: Datenblatt-Informationen der untersuchten Solarmodule
Baureihe | MQ 32 | PQ 10/10 | PQ 10/20 | PQ 10/40 |
Hersteller | AEG Telefunken | AEG | AEG | AEG |
Baujahr | 1977 | 1982 | 1984 | 1984 |
MPP-Leistung | 9,2 Wp | 9,2 Wp | 19,2 Wp | 38,4 Wp |
Zellwirkungsgrad | 11,5 % | 9,2 % | 9,6 % | 9,6 % |
Modulwirkungsgrad | 8,5 % | 6,8 % | 7,4 % | 7,7 % |
Kurzschlussstrom | 0,685 A | 2,22 A | 2,41 A | 2,41 A |
Leerlaufspannung | 18,7 V | 5,6 V | 11,2 V | 22,4 V |
Zellenzahl je Modul | 32 | 10 | 20 | 40 |
Material | Si-monokristallin | Si-polykristallin | Si-polykristallin | Si-polykristallin |
Modulhöhe | 450 mm | 556 mm | 563 mm | 1076 mm |
Modulbreite | 240 mm | 243 mm | 459 mm | 462 mm |
Zellgröße | 50 · 50 mm² | 100 · 100 mm²
| 100 · 100 mm² | 100 · 100 mm² |
Anzahl der Module | 20 | 60 | 9 | 9 |
2. Sichtbare Alterungserscheinungen der Module
2.1 Ursachen der Alterungserscheinungen
Einen erheblichen Einfluss auf die Leistungsausbeute hat das sogenannte
Browning, die Gelb- oder Braunfärbung der Kunststoffeinkapselung in Folge
von UV- und Wärmestrahlung. Weitere Defekte der Module können
als Folge des Brownings entstehen, so z.B. Zellausbleichung, Blasenbildung
beim Kunststoff, Degradation des Kunststoffs und zum Teil auch Zellkorrosion.
Durch die erhöhte Wärmeabsorption wird die Kunststoffverfärbung
im Laufe der Betriebszeit sogar noch verstärkt /1//2/.
Zellkorrosion tritt als Folge von Glasbruch, Browning und Kunststoffdegradation
und dem damit verbundenen Eindringen von Feuchtigkeit auf und führt
an den betroffenen Modulen ebenfalls zu Einstrahlungseinbußen und
erhöhter Wärmeentwicklung sowie zu schadhaften Veränderungen
der Kunststoffeinkapselung und der Zellstruktur.
Beschädigungen sehr kleiner Zellflächen entstehen aufgrund
von Hot Spots. Dieser Effekt kann als Folge von Teilabschattungen auftreten
/3//4/. Die Spannung der abgeschatteten Zelle wird negativ, sodass;
die Zelle als Verbraucher arbeitet. Die Leistung wird in Wärme umgesetzt.
Die Sonnenstrahlung erhitzt zusätzlich die Solarzelle, wodurch Kunststoffblasen
sowie thermische Schäden an der Einkapselung und am Zellmaterial auftreten
können.
2.2 Klassifizierung der Fehler
Sämtliche Module wurden auf sichtbare Alterungserscheinungen überprüft.
Bei den Modulen der Baureihe PQ 10/40 waren bis auf eine leichte alterungsbedingte
Trübung des Kunststoffes keine Fehler zu erkennen. Bei den Modulen
der Baureihe PQ 10/20 wiesen zwei Module montagebedingte Glasbrüche
mit geringer Zellkorrosion auf.
Bei den Modulen der Baureihen PQ 10/10 und MQ 32 konnten verschiedene
Fehler wie Glasbruch, Browning, Degradation und Blasenbildung beim Kunststoff
der Einkapselung, Hot Spots, Zellkorrosion, Zellausbleichung und Fertigungsfehler
bei allen Modulen beobachtet werden.
Bei sämtlichen Modulen der Baureihe PQ 10/10 war ein mehr oder
minder starkes Browning der Kunststoffeinkapselung sowie Zellkorrosion
zu erkennen. Bei 67 % der Module sind Zellausbleichungen, zum Teil bis
zur Farblosigkeit einzelner Zellen, aufgetreten. Kunststoffblasen, besonders
als Folge starker Zellkorrosion, sind an 38 % der Module zu erkennen. 35
% der Module wiesen Fertigungsfehler, 10 % Kunststoffdegradation, 7 %
Hot Spots und ein Modul Glasbruch auf.
Bei der Baureihe MQ 32 wurde vor allem eine Verfärbung der Kunststoffeinkapselung
und der Glasabdeckung am unteren Modulrand sowie Zellkorrosion und leichte
Fertigungsfehler beobachtet. Kunststoffblasen und Kunststoffdegradation
waren nur in geringem Maße zu erkennen. Glasbruch war nur bei einem
Modul vorhanden. Obwohl sich der Glasbruch über das gesamte Modul
erstreckte, war keine besondere Auswirkung auf die Kennlinie des Moduls
zu erkennen.
Eine detaillierte Unterteilung der verschiedenen Fehler ist in Bild
2 dargestellt.

Bild 2: Sichtbare Alterungserscheinungen unterteilt nach Fehlerarten
bei den verschiedenen Baureihen
Beim Vergleich der einzelnen Modulreihen untereinander ist deutlich
zu erkennen, dass die älteren Baureihen MQ 32 und PQ 10/10 erheblich
mehr Fehler aufweisen. Dies ist nur zu einem sehr geringen Teil auf das
höhere Alter der Module zurückzuführen. Ein Hauptgrund hierfür
liegt in den verwendeten Materialien für die Kunststoffeinkapselung.
Die Materialien der neueren Baureihen haben sich als deutlich langzeitstabiler
erwiesen. Somit sind durch Fortschritte bei der Materialbeschaffenheit
bei heute erhältlichen Modulen keine Fehler in dem hier festgestellten
Ausmaß zu erwarten.
3. Leistungsverluste der Module
3.1 Übersicht über die Leistungseinbußen
Wie bereits zuvor erwähnt, wurde bei allen Modulen die U-I-Kennlinien
im Freiland aufgenommen und daraus die Zellparameter wie Photostrom, Parallelwiderstand,
Serienwiderstand und Sättigungsstrom bestimmt. Mit Hilfe einer Simulation
wurde dann die Kennlinie auf Standardtestbedingungen (Bestrahlungsstärke
E = 1.000 W/m², Temperatur theta = 25°C) umgerechnet und aus der
so gewonnenen Kennlinie der MPP (Punkt maximaler Leistung) ermittelt.
Die elektrischen Leistungsverluste der einzelnen Module betragen gegenüber
den Angaben aus dem Datenblatt des Herstellers zwischen 7,2 % beim besten
Modul aus der Baureihe PQ 10/40 und 43,6 % beim schlechtesten Modul der
Baureihe PQ 10/10. Trotz der zum Teil gravierenden sichtbaren Beschädigungen
war bei den Modulen kein einziger Totalausfall vorhanden. Tabelle 2 zeigt
den Bereich der Leistungseinbußen der unterschiedlichen Baureihen.
Eine genaue Klassifizierung in Leistungsklassen ist Bild 3 zu entnehmen.
Bei den neueren Modulreihen können die jährlichen Leistungsverluste
auf etwa 1 % beziffert werden.

Bild 3: Relativer Anteil der Module der verschiedenen Baureihen an
den jeweiligen Leistungsbereichen bezogen auf die Datenblätter
Tabelle 2: Ermittelte Leistungseinbußen der verschiedenen Baureihen
| MQ 32 | PQ 10/10 | PQ 10/20 | PQ 10/40 |
minimale Leistungseinbußen | 17,3 % | 16,4 % | 9,1 % | 7,2 % |
maximale Leistungseinbußen | 33,8 % | 43,6 % | 18,2% | 16,2 % |
durchschnittliche Leistungseinbußen | 26,3 % | 25,8 % | 14,9 % | 10,5 % |
durchschnittliche jährliche Leistungseinbußen | 1,3 %/a | 1,7 %/a | 1,1 %/a | 0,8 %/a |
3.2 Leistungseinbußen bei einzelnen Modulen
Der Zusammenhang zwischen optischen Alterungserscheinungen und Leistungsverlusten
wird hier beispielhaft an zwei Modulen der Baureihe PQ 10/10 und einem
Modul der Baureihe MQ 32 dargestellt.
Erstes Modul der Baureihe PQ 10/10
Beim ersten Modul der Baureihe PQ 10/10 ist ein Browning bei der Hälfte
der Zellen, eine starke Korrosion aller Zellen sowie die Degradation der
Kunststoffeinkapselung zu beobachten (Bild 4). Hot Spots an 20 % und Fertigungsfehler
an 10 % der Zellen tragen ebenfalls zu den elektrischen Leistungseinbußen
bei.

Bild 4: Foto eines Ausschnitts des ersten untersuchten Moduls PQ 10/10
Das Browning und die Kunststoffdegradation führen zu einer Verringerung
des Kurzschlussstroms um etwa 17 %. Aufgrund der Zellkorrosion verringert
sich der Parallelwiderstand des Moduls um etwa 50 %. Der Serienwiderstand
und der Sperrsättigungsstrom erhöhen sich. Möglicherweise treten hier auch
Kurzschlüsse in einzelnen Zellen auf. Die Leerlaufspannung
verringert sich hierdurch um 9,5 % und die elektrischen Leistungsverluste
betragen etwa 32 % (Bild 5).

Bild 5: U-I-Kennlinie des ersten untersuchten Moduls PQ 10/10
Zweites Modul der Baureihe PQ 10/10
Beim zweiten Modul der Baureihe PQ 10/10 sind die höchsten Leistungseinbußen
innerhalb dieser Baureihe zu verzeichnen. Schweres Browning und eine starke
Ausbleichung fast aller Zellen sowie die Bildung von Kunststoffblasen reduzieren
den Kurzschlußstrom um knapp 28 % (Bild 6).

Bild 6: Foto eines Ausschnitts des zweiten untersuchten Moduls PQ 10/10
Die starke Korrosion der Zellen erhöht den Serienwiderstand. Die
Leerlaufspannung ist um etwa 12,5 % gesunken. Insgesamt ergeben sich Leistungsverluste
von 43 % (Bild 7).

Bild 7: U-I-Kennlinie des zweiten untersuchten Moduls PQ 10/10
Modul der Baureihe MQ 32
Bei diesem Modul fallen das Browning der unteren Zellreihe mit vier
Zellen sowie der Glasbruch besonders stark ins Gewicht (Bild 8).

Bild 8: Foto eines Ausschnitts des untersuchten Moduls MQ 32
Aufgrund der fehlenden Bypassdioden führt diese Teilabschattung
zu einer Reduktion des Kurzschlussstroms des gesamten Moduls. Dieser
sinkt hierdurch um etwa 32 %. Auf die anderen Zellparameter haben die Zellkorrosionen
eine deutlich geringeren Einfluss, sodass der Leistungsverlust
26 % gegenüber der Leistung aus dem Datenblatt beträgt (Bild
9).

Bild 9: U-I-Kennlinie des untersuchten Moduls MQ 32
4. Einfluss der Alterungserscheinungen auf bestimmte Parameter
Die Höhe der Leistungseinbußen wird durch optische Fehler
in besonders starkem Maße bestimmt. So werden durch das Browning
der Kunststoffeinkapselung, Korrosion und Ausbleichung der Zellen sowie
Kunststoffblasenbildung die stärksten Änderungen in den
Kennlinien verursacht. Geringen Einfluss auf die Leistung der Module
haben Glasbruch und leichte Fertigungsfehler sowie Hot Spots und Kunststoffdegradation.
Da Glasbruch jedoch unweigerlich zu Zellkorrosion und Schädigung des
Kunststoffes führt, kann auch dieser Fehler erhebliche Leistungsverluste
nach sich ziehen. Die Veränderung der spezifischen Zellparameter
nur aufgrund von Glasbruch konnte nicht festgestellt werden.
Eine deutliche Verringerung des Kurzschlussstromes ist auf Browning
zurückzuführen. Die Verluste reichen von 3 % bei leichtem Browning
aller Zellen, etwa 7 % bei mittlerem Browning bis zu 25 % bei starkem Browning.
Bei allen Modulen der Baureihe MQ 32 wirkt sich das starke Browning der
unteren vier Zellen als Teilabschattung aus, welches die erheblichen Verluste
erklärt. Ähnliche Einbußen des Kurzschlussstroms werden
durch die Zellausbleichung an den betreffenden Modulen hervorgerufen. In
Verbindung mit Browning können diese bis zu 27 % betragen. Da die
Zellausbleichung an den untersuchten Modulen nur in Verbindung mit
Browning auftritt, können keine Aussagen über die Höhe der
Verluste, welche sich ausschließlich aus der Zellausbleichung ergeben,
gemacht werden.
Die Ursache für die Veränderung des Sperrsättigungsstroms
bzw. Kurzschlüssen in einzelnen Zellen und der damit verbundenen
Verringerung der Leerlaufspannung liegt vor allem bei der Zellkorrosion.
Die Verluste liegen zwischen 5 % bei leichter, etwa 7 % bei mittlerer und
bis zu 12 % bei schwerer Korrosion. Durch die Verkleinerung des Parallelwiderstands
können außerdem Verluste der maximalen Leistung von 23 % auftreten,
ohne dass die Verkleinerung des Kurzschlussstroms oder der Leerlaufspannung
berücksichtigt ist.
Für die Bewertung des Alterungszustandes eines Solarmoduls ist
die Höhe der Leistungsverluste entscheidend, welche bei einem bestimmten
optischen Fehler unter Berücksichtigung der Schwere des Schadens zu
erwarten ist. Aus der statistischen Auswertung der Module der Baureihe
PQ 10/10 und MQ 32 können die folgenden Schlussfolgerungen getroffen
werden:
Leichtes Browning führt zu 11 % an Leistungseinbußen, mittleres
Browning in Verbindung mit Zellausbleichung zu etwa 22 % und schweres Browning
in Verbindung mit Zellausbleichung zu über 30 %. Die Verluste infolge
von Zellkorrosion betragen 5 % für leichte, 8 % für mittlere
und 12 % für schwere Schäden.
Leistungseinbußen aufgrund der anderen beschriebenen optischen
Fehler können nicht explizit ermittelt werden, da diese nur in Verbindung
mit anderen Defekten auftreten und oftmals in ihrer Wirkung die Zellparameter
nur geringfügig beeinflussen. Insbesondere gilt dies für Hot
Spots, bei denen meist nur ein einziger Punkt der Zellfläche zerstört
ist, und für Fertigungsfehler. Diese können zum einen durch
unsymmetrisches Auflöten der Leitungszüge zu geringfügig
höheren Abschattungen führen, zum anderen geht durch Wegbrechen
von Zellmaterial beim Sägen der Wafer ein Teil der Zellfläche
verloren. Die Größe des fehlenden Zellmaterials im Verhältnis
zur Gesamtfläche der Solarzelle ist kleiner als 1 %. Auf die Modulfläche
bezogen kann dieser Fertigungsfehler vernachlässigt werden. Eine
quantitative Auswertung der Verluste aufgrund von Kunststoffblasen kann
ebenfalls nicht getroffen werden, da diese vor allem am Modulrand auftreten
und nur eine geringe Zellfläche überdecken. Ähnliches gilt
für die Auswirkungen durch Kunststoffdegradation. Die Leitungsverluste
aufgrund der Kunststoffdegradation werden von den Verlusten, die sich aus
starker Zellkorrosion und starken Browning ergeben, überdeckt.
5. Zusammenfassung
Solarmodule werden zu recht als die zuverlässigste Komponente
fotovoltaischer Energiesysteme bezeichnet. Wie diese Untersuchungen gezeigt
haben, sind an einigen Modulen zwar erhebliche Alterungserscheinungen,
verbunden mit entsprechenden Leistungsverlusten, zu erkennen. Komplette
Modulausfälle wurden jedoch nicht festgestellt.
Selbst die 20 Jahre alten Module der Baureihe MQ 32 waren nicht davon betroffen.
Ebenso war kein Modul von schweren Fertigungsfehlern wie Zellbruch, schlechter
Kontaktierung oder Kontaktunterbrechung betroffen. Der Defekt mit den höchsten
Leistungsverlusten ist die Verfärbung der Kunststoffeinkapselung (Browning),
welche auch einige andere optische Fehler nach sich zieht. Die maximalen
Leistungsverluste betrugen 43,6 %.
Neuere Kunststoffverbindungen weisen
auch nach längeren Betriebszeiten bei Modultemperaturen über
70 °C keine Degradation und nur eine leichte Verfärbung auf, sodass
die Leistungsverluste aufgrund dieses Defekts bei heutigen Modulen
wesentlich geringer sind. Bei Einsatz von Fotovoltaikmodulen in tropischen
Regionen werden jedoch aufgrund extremer klimatischer Bedingungen auch
heute noch starke Fehler bereits nach wenigen Jahren beobachtet. (Bild10)

Bild 10: Kunststoffdelamination bei Photovoltaikmodulen in Brasilien
Bei den neueren hier untersuchten Modulen ergaben sich unter mitteleuropäischen
Klimabedingungen Leistungsverluste von unter 1 %/a. Somit ist zu erwarten,
dass neu errichtete Anlagen hierzulande auch nach einer Betriebszeit
von über 20 Jahren einen zufriedenstellenden Ertrag liefern werden.
Volker Quaschning, Axel Grochowski, Rolf Hanitsch
Literatur
/1/ Berman, D.; Biryukuv, S.; Faiman, D.: EVA laminate browning after
5 years in grid-connected mirror-assisted, photovoltaic systems desert:
effect on module efficiency. In: Solar Energy Materials and Solar Cells
36 1994, pp. 421-432.
/2/ Pern, F.J.: Factors that effect the EVA encapsulant discoloration
rate upon accelerated exposure. In: Solar Energy Materials and Solar Cells
41/42 1996, pp. 587-615.
/3/ Quaschning, V.: Simulation der Abschattungsverluste bei solarelektrischen System.
Verlag Dr. Köster Berlin 1996.
/4/ Quaschning, V.: Regenerative Energiesysteme.
Carl Hanser Verlag München 1999.
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