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© Fraunhofer ISE
Analyse der Verlust-und
Gewinnmechanismen für kristalline PV-
Module
Ingrid Hädrich, Ulrich Eitner, Martin
Wiese, Harry Wirth
Fraunhofer Institut für Solare
Energiesysteme ISE
TÜV Modulworkshop
Köln, 11. November 2014
www.ise.fraunhofer.de
© Fraunhofer ISE
2
Zuverlässigkeitstests
Materialanalyse
Testlab PV Module
Ertragsnachweise
Kraftwerksinspektion
und -prüfung
Überwachung
CalLab PV Module
Verbindungs-
technologie
Moduleffizienz und
neue Konzepte
Module Technology
Center (MTC)
Modultechnologie
Dr. Ulrich Eitner
Schadensanalytik und
Umweltsimulation
Qualitätssicherung PV-
Module und Systeme
Einleitung
Abt. Photovoltaische Module, Systeme und
Zuverlässigkeit
© Fraunhofer ISE
3
Einleitung
Arbeitsgebiete und Themenbereiche
niederkonzentrierende PV
Leichtbaumodule
systemintegrierte Module
PV-Thermische Kollektoren (direkt laminiert)
gebäudeintegrierte PV unter Einsatz
innovativer Materialien aus der Bauindustrie
LowCon-Reciever mit MWT Modul für Systemintegration Modul für Systemintegration
© Fraunhofer ISE
4
Einleitung
Bestimmung des Zelle-zu-Modul Faktors aus
Messungen
CTM = Cell to Module Ratio
Beschreibt alle Effekte, welche
durch Verlötung und Einbettung
der Zellen entstehen
CTM Faktoren werden bei
Standard Test Bedingungen (STC)
angegeben
Wenn die CTM-Kennzahl
gemessen wird, ist es notwendig
eine einheitliche “Sprache” zu
Verwenden.
© Fraunhofer ISE
5
Einleitung
Bestimmung des Zelle-zu-Modul Faktors aus
Messungen
CTM-Faktoren werden beschrieben als:
absoluter Wert
relativer Wert
CTM-Faktoren können zusätzlich angegeben werden für den:
Füllfaktor elektrische Verluste
Kurzschlussstrom optische Gewinne oder Verluste
Leistung Effizienz
Verhältnis:
(relativ)
Differenz:
(absolut)
Zelle
Modul
P
P1[%]PowerCTM
P-P][ ZelleModul WattCTM Power
Zelle
Modul 1[%]
EffizienzCTM
-[%] ZelleModul EffizienzCTM
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6
Einleitung
Motivation
kommerzielle Zelleffizienzen von über 20
%
kommerzielle Moduleffizienzen im Bereich
von 16 – 19%
Zelle-zu-Modul Verhältnisse werden selten
im Detail veröffentlicht
innovative Modultechnologien machen
Verschaltung zu einem Teil der
Zellentwicklung (z.B. Multi-Wire)
Verkapselung hat einen starken Einfluss
auf die optischen Eigenschaften, was bei
der Zellentwicklung berücksichtigt werden
sollte
Hauptziel: Übertragung der Zelleffizienz auf die Modulebene
Multi-Wire
Verbindungstechnologie
© Fraunhofer ISE
7
Einleitung
Zielsetzung
Überblick über CTM-Effekte
einfache Methodik für die Analyse eines
bestimmten Modul Set-Ups, basierend auf einer
Reihe von einfachen Messungen
Darstellung der Spannbreiten von
Leistungsgewinnen oder –verlusten im Bezug auf
die jeweiligen Gewinn- und Verlustmechanismen
datasheet Sanyo HIT-N235SE10
© Fraunhofer ISE
8
-11.3-3.3 -0.1 -3.5 -5.4 -8.3
-0.0
265.0
11.31
3.30 0.08 3.455.40
8.280.017.03
0.27 0.54 3.93
285.0
sum
cell p
ower
glas
s re
flection
(1)
glas
s ab
sorp
tion
(2)
refle
ction
glas
s/en
cap
(3)
enca
psulan
t abs
. (4)
shad
ing
of ri
bbon
(5)
coup
ling
cell su
rface
(6)
coup
ling
finge
r (7)
coup
ling
inte
rcon
.(8)
coup
l. ba
cksh
eet (
9)
cell inte
rcon
nection
(10)
strin
g inte
rcon
nection
(11)
mod
ule
power
230
240
250
260
270
280
290
300
po
we
r [W
]
gains
losses
Einleitung
Überblick über Leistungsgewinne und -verluste
Optische
Verluste
Optische
Gewinne
0.6
Elektrische
Verluste
© Fraunhofer ISE
9
Einleitung
Überblick über Effizienzgewinne und -verluste
0.00
-1.79
-0.72 -0.69-0.20 -0.00 -0.21 -0.32 -0.51
-0.04
16.22
0.00
1.79
0.72
0.690.20 0.00 0.21
0.320.51
0.04
0.00
0.210.32 0.02 0.27
19.89
cell ef
ficienc
y STC
mod
ule
bord
er a
rea
(1)
cell sp
acing
area
(2)
glas
s re
flection
(3)
glas
s ab
sorp
tion
(4)
refle
ction
glas
s/en
cap
(5)
enca
psulan
t abs
. (6)
shad
ing
of ri
bbon
(7)
coup
ling
AR (8
)
coup
ling
finge
r (9)
coup
ling
inte
rcon
. (10
)
coup
l. ba
cksh
eet (
11)
cell inte
rcon
nection
(12)
strin
g inte
rcon
nection
(13)
mod
ule
effic
ienc
y STC
15
16
17
18
19
20
21
22
effic
ien
cy [%
]
gains
losses
Inaktive
Flächen
Optische Verluste Optische Gewinne Elek-
trische
Verluste
© Fraunhofer ISE
10
Funktionsweise des Kalkulationsmodells
Leistungsberechnung
][]2[]1[mod ... jcell kkknPP
Gewinnrelativer :1
Verlustrelativer :1
tor/Gewinnfak-Verluster ...relativ
i
i
i
k
k
k
1P
2P
0P
Glason ...Reflexik[1]
Glasion ...Absorptk[2]
© Fraunhofer ISE
11
-11.3-3.3 -0.1 -3.5 -5.4 -8.3
-0.0
265.0
11.31
3.30 0.08 3.455.40
8.280.017.03
0.27 0.54 3.93
285.0
sum
cell p
ower
glas
s re
flection
(1)
glas
s ab
sorp
tion
(2)
refle
ction
glas
s/en
cap
(3)
enca
psulan
t abs
. (4)
shad
ing
of ri
bbon
(5)
coup
ling
cell su
rface
(6)
coup
ling
finge
r (7)
coup
ling
inte
rcon
.(8)
coup
l. ba
cksh
eet (
9)
cell inte
rcon
nection
(10)
strin
g inte
rcon
nection
(11)
mod
ule
power
230
240
250
260
270
280
290
300
po
we
r [W
]
gains
losses
Überblick über Leistungsgewinne und -verluste
Optische
Verluste
0.6
© Fraunhofer ISE
12
Optische Gewinne und Verluste (1) bis (9)
Überblick
In abgeänderter Form von:
McIntosh et al., 2009, 34th PVSC IEEE, pp. 544 - 549
Glass
Encapsulant
Encapsulant
Cell
Backsheet
2
1
3 4
9
6 7 5 8
© Fraunhofer ISE
13
Effektiver Reflektionsgrad und Absorbtionsverluste (1) –
(4)
Bestimmung der Materialparameter
r
n0=1
n1
R01
R10 R10
R01 R01
T10
T10 T10
T01
T10
T10 n0=1
tbulk
d1
t Abb.: Transmission durch eine schlichte komplanare Schicht eines vertikal
eingestrahlten Lichtstrahls
FTIR-Spektroskopie eines
Materials gegen die Luft
Glas (nicht texturiert,
unbeschichtet)
Laminierte
Verkapselung mit
glatter Oberfläche
tbulk=1- abulk
S. Krauter, Köster Verlag Berlin 1993. ISBN 3-929937-41-7
© Fraunhofer ISE
14
Effektiver Reflektionsgrad und Absorbtionsverluste (1) –
(4)
Beispiel – Glasverluste (3) + (4)
Abb.: Gemessener und berechneter spektraler
Reflexionsgrad des Glases bezogen auf die
Sonnenspektren AM1.5 und die spektrale Empfindlichkeit
einer Solarzelle
300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 12000.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
no
rma
lize
d v
alu
es [ ]
wavelength [nm]
IAM1.5
SRcell
Rglass
01
aglass
bulk
© Fraunhofer ISE
15
Effektiver Reflektionsgrad und Absorbtionsverluste (1) –
(4) Beispiele für die Absorbtionsverluste der Verkapselung
(4)
Abb.: Effektive Absorbtion und absoluter Energieverlust
EVA A
EVA B
*
EVA C
Silico
ne
PVB
PO
PO*
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
1.8
2.0
aencap
bulk
P[4]
bulk
absorb
ance a
enca
p
bulk
[%
]0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
pow
er
loss
P[4
] [W
]
A B C D E F G
A B C D E F G
1.67 2.38
4.95
13.56
26.15
300 350 400 450 5000
5
10
15
20
25
30
pow
er
loss [W
]
wavelength [nm]
power loss
Abb.: Theoretischer absoluter Energieverlust mit
wachsendem UV- Cutoff
© Fraunhofer ISE
16
Abschattung des Frontbusbars (5)
Ursache: Silbereinsparung in der Zellmetallisierung
Verringerung der Abschattung auf Zellebene
erhöhte Zelleffizienz, die nicht auf die Modulebene
übertragen werden kann
abhängig von der exakten Geometrie der Busbars
und der Zelle, relative Leistungsverluste zwischen
1,9 und 2,4%
oben: Datenblatt QCells, Q6LXP3-G2
unten: Datenblatt JA Solar, JACM6SR-3
© Fraunhofer ISE
17
-11.3-3.3 -0.1 -3.5 -5.4 -8.3
-0.0
265.0
11.31
3.30 0.08 3.455.40
8.280.017.03
0.27 0.54 3.93
285.0
sum
cell p
ower
glas
s re
flection
(1)
glas
s ab
sorp
tion
(2)
refle
ction
glas
s/en
cap
(3)
enca
psulan
t abs
. (4)
shad
ing
of ri
bbon
(5)
coup
ling
cell su
rface
(6)
coup
ling
finge
r (7)
coup
ling
inte
rcon
.(8)
coup
l. ba
cksh
eet (
9)
cell inte
rcon
nection
(10)
strin
g inte
rcon
nection
(11)
mod
ule
power
230
240
250
260
270
280
290
300
po
we
r [W
]
gains
losses
Überblick über Leistungsgewinne und -verluste
Optische
Verluste
Optische
Gewinne
0.6
© Fraunhofer ISE
18
Optische Gewinne und Verluste (1) bis (9)
Optische Gewinne (6) bis (9)
In abgeänderter Form aus:
McIntosh et al., 2009, 34th PVSC IEEE, pp. 544 - 549
© Fraunhofer ISE
19
Ertrag aus Lichtkopplung an Zelloberfläche (6) – (8)
Messaufbau Kopplungsgewinn
Isc
Die kontaktierte Solarzelle wird gegen Luft
und Eingekapselung vermessen (ohne
Glas)
cell
6 7 8
finger ribbon
encapsulant
cell
Backsheet
6 7 8
*berechnet für die Schnittstelle Luft/ Verkapselung
**Absorbtionsverluste des rückreflektierten Lichtes in der Verkapselung sind nicht
miteinbezogen
Isc umfassst:
Reflexionsgrad an Verkapselung
Absorbtionsgrad an Verkapselung
Direkte Lichtkopplung durch
Anpassung des Brechungsindex an
Zelloberfläche
Indirekte Lichtkopplung **
der Zelloberfläche
der Metallisierung der Finger
des Bändchens
© Fraunhofer ISE
20
Ertrag aus Lichtkopplung an Zelloberfläche (6) – (8)
Messaufbau Kopplungsgewinn
Isc
Die kontaktierte Solarzelle wird gegen Luft
und Eingekapselung vermessen (ohne
Glas)
cell
6 7 8
finger ribbon
encapsulant
cell
Backsheet
6 7 8
*berechnet für die Schnittstelle Luft/ Verkapselung
**Absorbtionsverluste des rückreflektierten Lichtes in der Verkapselung sind nicht
miteinbezogen
Isc umfassst:
Reflexionsgrad an Verkapselung
Absorbtionsgrad an Verkapselung
Direkte Lichtkopplung durch
Anpassung des Brechungsindex an
Zelloberfläche
Indirekte Lichtkopplung **
der Zelloberfläche
der Metallisierung der Finger
des Bändchens
© Fraunhofer ISE
21
Ertrag aus Lichtkopplung an Zelloberfläche (6) – (8)
Variation der Lichtkopplung für verschiedene
Zelloberflächen
Lichtkopplung hängt stark von der
Qualität der Zelltextur und von der
Beschichtung ab
Je niedriger der Reflexionsgrad an
der Zelloberfläche
desto höher die anfängliche Effizienz
desto niedriger der Kopplungsertrag
Abb.: prozentuale Veränderung des Kurzschlussstroms für gekennzeichnete Zellen,
eingekapselt mit standard EVA, einem eisenarmen Glas mit Antireflextionbeschichtung
und schwarzem Backsheet
poly, S
iNx
UM
G, S
iNx
mon
o, S
iNx
mon
o, sel
ectiv
e em
itter
, SiN
x
mon
o, sel
ectiv
e em
itter
, SiN
x/SiO
x
mon
o, sel
ectiv
e em
itter
type
2
mon
o, sel
evtiv
e em
itter
type
3
mon
o, IB
C, S
iNx/SiO
x
-4.0
-2.0
0.0
2.0
4.0
6.0
(Isc,e
ncap -
Isc,a
ir)
/ Is
c,a
ir [%
]
measurement value
mean value
© Fraunhofer ISE
22
Ertrag aus Lichtkopplung an Zelloberfläche (6) – (8)
Messaufbau Kopplungsgewinn
*berechnet für die Schnittstelle Luft/ Verkapselung
**Absorbtionsverluste des rückreflektierten Lichtes in der Verkapselung sind nicht
miteinbezogen
Rib 5 std Rib 6 Effektive Breite (EW) der
Zelleverbinder oder Finger gibt an,
wieviel des einfallenden Lichtes
zurück auf die Zelle reflektiert
werden kann
© Fraunhofer ISE
23
Ertrag aus Lichtkopplung an Zelloberfläche (6) – (8)
Messaufbau Kopplungsgewinn
*berechnet für die Schnittstelle Luft/ Verkapselung
**Absorbtionsverluste des rückreflektierten Lichtes in der Verkapselung sind nicht
miteinbezogen
Effektive Breite (EW) der
Zelleverbinder oder Finger gibt an,
wieviel des einfallenden Lichtes
zurück auf die Zelle reflektiert
werden kann
R. Woehl et al. 2008
© Fraunhofer ISE
24
Optische Gewinne und Verluste (1) bis (9)
Optische Gewinne (6) bis (9)
In abgeänderter Form aus:
McIntosh et al., 2009, 34th PVSC IEEE, pp. 544 - 549
© Fraunhofer ISE
25
Lichtkopplung aus der Zellumgebung (9)
Reflektion des Backsheets und Veränderung beim Isc
only small direct reflection of
backsheets observed
Abb.: global-hemisphärischer und diffuser Reflektionsgrad für
verschiedene Backsheet-Materialien
Abb.: gemessener Anstieg im Zellstrom bei wachsender Entfernung für
verschiedene reflektierende Rückseitenmaterialien
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
reflecta
nce [%
]
wavelength [nm]
backsheet 1_global
backsheet 1_diffuse
backsheet 2_global
backsheet 2_diffuse
backsheet 3_global
backsheet 3_diffuse
© Fraunhofer ISE
26
Lichtkopplung aus der Zellumgebung (9)
Reflektion des Backsheets und Veränderung beim Isc
only small direct reflection of
backsheets observed
Abb.: global-hemisphärischer und diffuser Reflektionsgrad für
verschiedene Backsheet-Materialien
Abb.: gemessener Anstieg im Zellstrom bei wachsender Entfernung für
verschiedene reflektierende Rückseitenmaterialien
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1.0
reflecta
nce [%
]
wavelength [nm]
backsheet 1_global
backsheet 1_diffuse
backsheet 2_global
backsheet 2_diffuse
backsheet 3_global
backsheet 3_diffuse
0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 220.0
1.0
2.0
3.0
4.0
5.0
6.0
7.0
8.0
(Isc,n
mm-I
sc,0
mm)/
I sc,0
mm [
%]
cell distance [mm]
backsheet 1
backsheet 2
backsheet 3
white EVA
Modell ExpAssoc
Gleichung y = y0 + A1*(1 - exp(-x/t1)) + A2*(1 - exp(-x/t2))
Chi-Quadr Reduziert 4.08609E-6
Kor. R-Quadrat 0.9916
Wert Standardfehler
Isovoltaic 3554 y0 5.9457E-4 0.00202
Isovoltaic 3554 A1 0.03126 0.27505
Isovoltaic 3554 t1 3.9036 18.08674
Isovoltaic 3554 A2 0.05641 0.33421
Isovoltaic 3554 t2 25.41853 574.0541
© Fraunhofer ISE
27
Lichtkopplung aus der Zellumgebung (9)
Reflektion des Backsheets
Abb.: Nomenklatur für Kantenlängen an der Zelle entlang
),,,( backsheet]9[]9[ scIegkk r
backsheet 1 backsheet 2 backsheet 350
60
70
80
90
100 R
backsheet
01
power gain
refle
cta
nce
[ ]
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
po
wer
ga
in [
W]
Abb.: Reflektionsgrad und Leistungsgewinn für drei
verschiedene Backsheet-Materialien
© Fraunhofer ISE
28
-11.3-3.3 -0.1 -3.5 -5.4 -8.3
-0.0
265.0
11.31
3.30 0.08 3.455.40
8.280.017.03
0.27 0.54 3.93
285.0
sum
cell p
ower
glas
s re
flection
(1)
glas
s ab
sorp
tion
(2)
refle
ction
glas
s/en
cap
(3)
enca
psulan
t abs
. (4)
shad
ing
of ri
bbon
(5)
coup
ling
cell su
rface
(6)
coup
ling
finge
r (7)
coup
ling
inte
rcon
.(8)
coup
l. ba
cksh
eet (
9)
cell inte
rcon
nection
(10)
strin
g inte
rcon
nection
(11)
mod
ule
power
230
240
250
260
270
280
290
300
po
we
r [W
]
gains
losses
Überblick über Leistungsgewinne und -verluste
Optische
Verluste
Optische
Gewinne
0.6
Elektrische
Verluste
© Fraunhofer ISE
29
Elektrische Verluste (10) bis (11)
Widerstandsverluste im Bändchen
backcontactfrontcontactbackribbonfrontribboncell PPPPnPnP ,,,,]10[
see also Geipel et. al., Silicon PV conference 2014
cell front cell back
p-pad n-pad
Kontakt-
widerstand
Kupfer-
widerstand
Zellzwischen-
räume
String-
Verbinder + + +
Ik,1 Ik,2 Ik,j …
… ribbonk RI 2
1, ribbonkk RII 2
2,1, )(
cell gap sumkI ,…MPP Strom verringert
durch optische Faktoren
k[1] to k[9]
ribbonR …gemessener effektiver
Widerstand
RIP 2
© Fraunhofer ISE
30
Elektrische Verluste (10) bis (11)
Widerstandsverluste im Bändchen
see also Geipel et. al., Silicon PV conference 2014
1%
89%
2%8%
contact loss gap loss
string connection loss
ribbon loss
Abb.: Energieverlust für unterschiedliche Bändchenbreite und
-dicke Abb.: Beispiel für elektrische Verluste in verlötetem 60-Zellen-
Modul
1.20 1.25 1.30 1.35 1.40 1.45 1.506
7
8
9
10
11
12
13
14
15
po
wer
loss
P[1
0] [
W]
width [mm]
0.1 mm
0.15 mm
0.2 mm
© Fraunhofer ISE
31
Zusammenfassung
CTM unterscheidet sich stark für verschiedene Zellkonzepte (multi vs.
mono, bifazial, IBC, MWT)
Hocheffiziente Solarzellen mit niedrigerem ursprünglichem
Reflexionsgrad profitieren weniger von Kopplungserträgen
Mehrertrag durch Backsheets im Bereich von 4 Watt
Viele Effekte im Modul beeinflussen sich gegenseitig und müssen
ganzheitlich optimiert werden
© Fraunhofer ISE
32
Ausblick
Erweiterung des elektrischen Modells
bis hin zur Zellmetallisierung um
Multiwirekonzepte zu optimieren
Erweiterung der Leistungsbestimmung
um veränderliche Sonnenspektren und
verschiedene Lichtstreuungen /Winkel
Entwicklung eines Ertragsmodells,
welches den Modulaufbau berücksichtigt
© Fraunhofer ISE
33
Ingrid Hädrich
www.ise.fraunhofer.de
Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!