Erkennung von Mikrorissen an Solarzellen mittels kamerabasierter Elektrolumineszenzmessung
Creators: name: Küffer, Janik
Publisher: name: ZHAW Zürcher Hochschule für Angewandte Wissenschaften
Year: 2023
Subjects: 530: Physik
621.3: Elektro-, Kommunikations-, Steuerungs- und Regelungstechnik

description: Die von Auge nicht erkennbaren Mikrorisse sind ein häufig auftretender Defekt an Solarzellen. Diese feinen Haarrisse können bei der Herstellung, dem Transport, der Montage oder durch sonstige mechanische Einwirkungen entstehen. Durch thermische Ausdehnungen können aus den Rissen Zellbrüche entstehen. Diese führen zu einem Verlust der aktiven Zellfläche und damit zu einer Reduktion der Modulleistung. Durch eine frühzeitige Detektierung können Mikrorisse einem bestimmten Schadensereignis zugeordnet werden. Unter Umständen kann nur so dafür gesorgt werden, dass der Schaden von einer Versicherung getragen wird. Mithilfe von Elektrolumineszenzmessungen können Mikrorisse frühzeitig erkannt werden. Spezialkameras oder umgebaute Digitalkameras sind in der Lage die Frequenz abzubilden, welche eine Zelle abgibt, wenn diese im Durchlassbereich betrieben wird. Da inaktive Zellteile nicht lumineszieren, können Mikrorisse und Zellbrüche erkannt werden. Das Ziel dieser Arbeit war es eine handelsübliche Digitalkamera zur Elektrolumineszenzkamera (EL-Kamera) umzubauen. Zusätzlich sollte in einem Versuch mithilfe der modifizierten Kamera geprüft werden, welche Auswirkungen Zellbrüche auf den Kurzschlussstrom eines Solarmoduls haben und ob sich diese proportional zur Zellbruchfläche verhalten. Um dies zu prüfen wurde eine Zelle eines Solarmoduls kontrolliert gebrochen. Wie viel Zellbruchfläche dabei entstand, wurde mithilfe einer umgebauten Kamera eruiert. Nach jedem Zellbruch wurde eine Kurzschlussstrommessung unter konstanten Messbedingungen ausgeführt. Da der Kameraumbau misslungen ist, wurden die Aufnahmen mit einer bereits umgebauten Kamera durchgeführt. Entgegen den Erwartungen, die sich auf die Literatur stützen, sank der Kurzschlussstrom nicht mit steigender Zellbruchfläche. Bei 79 % inaktiver Zellfläche (einer Zelle) wurde immer noch derselbe Kurzschlussstrom wie bei 19 % inaktiver Zellfläche gemessen. Der Kurzschlussstrom ist möglicherweise nicht gesunken, weil die Durchbruchspannung der Versuchszelle von Messbeginn an überschritten wurde. In diesem Fall hätte die Versuchszelle keinen limitierenden Effekt auf den Strom der Nachbarzellen. Dies ist allerdings nur eine Vermutung und muss genauer untersucht werden. Um zu prüfen, ob die unerwarteten Ergebnisse auf das Modul zurückzuführen sind, sollten weitere Module mit derselben Methode untersucht werden. Aus der Arbeit geht zudem hervor, dass es grundsätzlich möglich ist eine handelsübliche Kamera zur EL-Kamera umzubauen. Das richtige Setup, entsprechendes Feinwerkzeug und Erfahrung im Umbau einer Kamera erhöhen die Chance auf einen erfolgreichen Umbau. Für bestimmte Anwendungen kann eine solche Kamera eine kostengünstige Alternative zu einer Spezialkamera bieten.
description: Micro-cracks, which are not visible to the eye, are a common defect in solar cells. These tiny cracks can occur during manufacturing, transportation, assembly, or due to other mechanical factors. The cracks can develop into cell fractures due to thermal expansion. This leads to a reduction in the active cell area and a decrease in module performance. Early detection of micro-cracks can help identify the specific event that caused the damage, which may be necessary for insurance coverage. Electroluminescence measurements can be used to detect micro-cracks at an early stage. Special cameras or modified digital cameras can capture the frequency emitted by a cell when it operates within the desired range. Inactive cell parts do not emit light, allowing the detection of micro-cracks and cell fractures. The objective of this study was to convert a commercially available digital camera into an electroluminescence camera (EL-camera). Additionally, the modified camera was used to investigate the effects of cell fractures on the short-circuit current of a solar module and whether these effects are proportional to the size of the cell fracture area. To test this, a cell in a solar module was intentionally broken in a controlled manner. The size of the cell fracture area was determined using the modified camera. After each cell break, a short-circuit current measurement was conducted under consistent conditions. Due to the failure of the camera construction, the recordings were
performed using an already converted camera. Contrary to the expected results based on the literature, the short-circuit current did not decrease with increasing cell fracture area. The same shortcircuit current was measured at 79% inactive cell area (one cell) as at 19% inactive cell area. This could be because the breakdown voltage of the test cell was exceeded from the beginning of the measurement, and thus the experimental cell did not have a limiting effect on the current of the neighboring cells. However, this is only a speculation and requires further investigation. To determine whether the unexpected results are specific to the module, additional modules should be examined using the same method. The study also demonstrates the possibility of converting a commercially available camera into an EL-camera. The correct setup, suitable fine tools, and experience in camera conversion increase the chances of a successful conversion. For certain applications, such a camera can provide a cost-effective alternative to a specialized camera.