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Neues Testprotokoll zeigt große Qualitätsunterschiede zwischen Photovoltaik-Modulen – pv magazine Deutschland

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Mit strengen Qualitätstests, die deutlich über die Vorgaben der International Electrotechnical Commission (IEC) hinausgehen, stellen wir sicher, dass unsere Solarmodule HIT physikalischen und thermischen Belastungen standhalten. Das gibt uns die Sicherheit, eine 25-jährige Produktgarantie anzubieten. Wie wichtig diese zusätzlichen internen Tests sind, zeigt eine Studie an der Universität Florida. Die Forscher haben Module mit vier […]

Mit strengen Qualitätstests, die deutlich über die Vorgaben der International Electrotechnical Commission (IEC) hinausgehen, stellen wir sicher, dass unsere Solarmodule HIT physikalischen und thermischen Belastungen standhalten. Das gibt uns die Sicherheit, eine 25-jährige Produktgarantie anzubieten. Wie wichtig diese zusätzlichen internen Tests sind, zeigt eine Studie an der Universität Florida. Die Forscher haben Module mit vier unterschiedlichen Technologien nach einem selbst entwickelten Prüfprotokoll getestet und miteinander verglichen. Wir freuen uns, dass unsere Module HIT am besten abgeschnitten haben. Aber der Reihe nach:

Um die Qualität von Photovoltaik-Modulen zu garantieren, wenden Hersteller üblicherweise Testmethoden an, bei denen die Module physikalischen Druck- und Temperaturänderungen ausgesetzt werden. Forscher der University of Florida kamen zu der Ansicht, dass diese Tests nicht ausreichen, um den langfristigen Erhalt der Effizienz zu gewährleisten. Mit Hilfe eines adaptierten Testprotokolls setzten sie vier Modularten unterschiedlichen Belastungen aus – mit bemerkenswerten Ergebnissen.

Laut Eric Schneller, Forscher am Florida Solar Energy Center der University of Central Florida, sind Solarmodule einer Vielzahl von physikalischen Einflüssen ausgesetzt, die Risse verursachen können. Seiner Meinung nach ist dies auf menschliche Handlungen zurückzuführen, beispielsweise beim Transport und bei der Installation. Aber auch Wettereinflüsse spielen eine Rolle wie Schnee, Wind und extreme Temperaturschwankungen. Schneller zufolge haben Risse schwerwiegende Folgen: Sie verschlechtern die Leistung des Moduls und können nicht funktionierende Teilflächen verursachen. Diese führen zu Spannungsunterschieden, die die Leistung weiter verringern. Risse verursachen manchmal auch Hotspots, die im schlimmsten Fall ein Sicherheitsrisiko darstellen – in Form einer Brandgefahr. So der Forscher.

Um die Bildung von Rissen zu verhindern, führen Modulhersteller Tests durch. So stellen sie fest, wie und wann sich Risse bilden. Diese Tests sind laut Schneller jedoch nicht ausreichend. Insbesondere ignorieren sie die Tatsache, dass Risse, die sich im „Moment 1“ bilden, die Probleme, die im „Moment 2“ durch andere Umstände verursacht werden, verstärken.

Zur Veranschaulichung nennt Schneller ein Beispiel: Das Gewicht einer Schneedecke auf einem Modul kann Mikrorisse verursachen, die sich automatisch schließen können, sobald der Schnee wegschmilzt und der Gewichtsdruck abnimmt. Wenn dasselbe Modul danach einer hohen Spitzentemperatur oder Vibrationen durch starken Wind ausgesetzt wird, das heißt im ‚Moment 2‘, können sich dieselben Mikrorisse wieder öffnen und weiterentwickeln, was zu einem Leistungsverlust führen kann.

4-Stufen-Testprotokoll

Um die Folgen von aufeinanderfolgenden Momenten mit physikalischem und thermischem Druck abzubilden, entwickelte Schneller ein neues Testprotokoll. Dieses „Mechanical Evaluation Protocol“ besteht aus vier Schritten, die ein Solarmodul nacheinander durchlaufen muss. Im ersten Schritt wird die Vorderseite des Moduls eine Stunde lang einem physikalischen Druck von 5.400 Pascal ausgesetzt. Dadurch wird eine Situation simuliert, in der das Modul mit einer dicken Schneeschicht bedeckt ist. Dies kann Mikrorisse verursachen, aber, wie bereits erwähnt, neigen diese Risse dazu, sich wieder zu schließen, sobald der physische Druck abnimmt.

Beim zweiten Test innerhalb des Protokolls wird das gleiche Modul 1.000 Mal hintereinander kurzzeitig 1.000 Pascal ausgesetzt. In einer realen Anwendung kann dieser Druck durch längere Einwirkung von Windböen verursacht werden. Eine mögliche Folge davon ist, dass Zellen elektrisch isoliert werden, was zu einem Leistungsverlust führt.

Im dritten Test wird das PV-Modul 50 Zyklen mit deutlichen Temperaturerhöhungen und 10 Zyklen mit Frost und Feuchtigkeit ausgesetzt, um stark schwankende Wetterbedingungen zu simulieren. Zusätzlich zur Erzeugung neuer Mikrorisse können bestehende Mikrorisse aufreißen und zu echten Rissen werden. Zudem besteht die Möglichkeit, dass sich die verschiedenen Schichten, aus denen das Modul besteht, lösen.

Der zweite und dritte Test im Protokoll sind ebenfalls Teil der üblicherweise angewandten Testverfahren, jedoch nicht in einem Zyklus, dem ein physikalischer Drucktest vorausgeht und dem ein weiterer Test folgt. Dieser folgende Test ist der letzte und vierte Schritt in Schnellers Protokoll und eine Wiederholung des zweiten Tests: Das Modul wird erneut 1.000 Mal mit 1.000 Pascal belastet.

Ergebnisse pro Modultyp

Schnellers Team setzte das neue Protokoll ein, um vier bekannte Modultypen verschiedenen Belastungen auszusetzen: dabei unser Photovoltaik-Modul HIT sowie Module mit Mono-PERC-, Multi-PERC- und Mono-PERT-Technologie von anderen Herstellern. Nach jedem Schritt wurden die Module untersucht, um die Schäden und den Leistungsverlust zu beurteilen. Es ist erwähnenswert, dass jeder Modultyp auf jeden der vier Belastungstests anders reagiert.

Nach Ende des ersten Schrittes (5.400 Pascal Druck) stellte sich heraus, dass das unser Photovoltaik-Modul HIT keinerlei Schäden erlitten hatte. Die Beschädigung des Mono-PERC-Moduls beschränkte sich auf vier Risse, das Mono-PERT-Modul hatte sieben und das Multi-PERC-Modul nicht weniger als 37.

Im zweiten Test (1.000 x 1.000 Pascal) erlitten unser Modul, das Mono-PERC- und das Mono-PERT-Modul keine neuen Schäden. Das Multi-PERC-Modul befand sich in einem deutlich schlechteren Zustand. Als Folge der langen Reihe von mechanischen Druckmomenten wurde festgestellt, dass die in Test 1 entstandenen Mikrorisse wieder geöffnet und weiter aufgerissen wurden, was zu schweren Schäden führte. Der dritte Schritt (Spitzentemperaturen, Frost und Feuchtigkeit) verursachte kaum zusätzliche Schäden, mit Ausnahme des Mono-PERT-Moduls, das mehrere neue Risse aufzeigte.

Der letzte Test (1.000 x 1.000 Pascal) ergab 6 neue Risse im Mono-PERC-Modul und „zahllose“ neue Risse sowohl im Mono-PERT- als auch im Multi-PERC-Modul. Bemerkenswert ist, dass das unser Modul HIT diesen Test völlig unbeschadet überstanden hat. Schneller zufolge ist dies wahrscheinlich auf das spezifische Design der Verbindungen und das für dieses Modul verwendete Folienmaterial zurückzuführen.

Schlussfolgerungen für jedes Modul

Nach Beendigung des vollständigen Testprotokolls wurde der Gesamtschaden an den vier Modultypen bewertet und die Anzahl der entstandenen Risse gezählt. Die größte Anzahl – 54 – wurde im Multi-PERC-Modul gefunden. Dicht dahinter folgte das Mono-PERT-Modul mit 45 Rissen. Das Mono-PERC-Modul schnitt bei den Tests mit 11 Rissen viel besser ab. Der absolute Gewinner war das unser Photovoltaik-Modul HIT. Es wurde nur ein einziger Riss gefunden, der jedoch nach Ansicht der Forscher nicht gezählt werden sollte, da er durch einen falschen Transport des Moduls verursacht wurde.

Am interessantesten ist natürlich die Frage, welche Auswirkungen die Tests auf die jeweilige Modulleistung haben. Auch hier stellte das Forscherteam große Unterschiede fest. Das Multi-PERC-Modul schnitt am schlechtesten ab und verlor in der Summe fast 10 Prozent. Das Mono-PERT-Modul lieferte nach den vier Zyklen 3,5 Prozent weniger Leistung, das Mono-PERC-Modul etwa 2,5 Prozent. Als großer Gewinner des Tests erwies sich unser Photovoltaikmodul HIT, das nach Durchlaufen des gesamten Testprotokolls keinen Leistungsverlust zeigte.

Das Erfolgsrezept unseres Photovoltaik-Moduls

Die wichtigste Frage bleibt, warum unser Modul einer langen Reihe von Tests mit physikalischem und thermischem Druck deutlich besser standhält.

In unseren Augen zeigt die Florida-Studie, dass strenge interne Verfahren zur Qualitätssicherung Früchte tragen. Wir verwenden ein eigenes Prüfprotokoll, das, wie das Protokoll von Schneller, weit über das marktübliche Verfahren hinausgeht, sowie die in den Richtlinien der IEC (International Electrotechnical Commission) beschriebenen Tests.

Für die Tests schreibt die IEC zum Beispiel eine „Kälte-/Wärme“-Schockprüfung in einer Klimakammer mit Temperaturänderungen von +85 bis -40 Grad Celsius vor. Gemäß den Richtlinien muss ein solcher Temperaturwechsel 200 Mal hintereinander stattfinden. Wir wenden jedoch 600 Zyklen an, um zusätzliche Sicherheit über die Zuverlässigkeit seiner Module zu erhalten.

Wir haben auch Module unserer Wettbewerber unseren Tests unterzogen. Es stellte sich heraus, dass das unser Modul HIT nach diesen 600 Zyklen nur wenige Prozent Leistungsverlust aufwies, während Module unserer Wettbewerber bis zu 23 Prozent verloren.

Diese besseren Ergebnisse sind das Resultat eines Produktionsprozesses, der unter anderem eine andere Methode zur Befestigung der elektrisch leitenden Bändchen in dem Modul verwendet. Da wir eine andere Tabbing-Technologie als beim Löten verwenden, gibt es weniger Spannung auf den Bändchen, was sie widerstandsfähiger gegen große Temperaturunterschiede macht, und sie lösen sich nicht. Dies geschieht manchmal bei anderen Modulen, was zu einem erheblichen Leistungsverlust führt.

Dass das Photovoltaik-Modul HIT bei den Tests in Florida nicht nur den Temperaturzyklen, sondern auch dem physikalischen Stresstest wesentlich besser standgehalten hat, ist, so unsere Überzeugung, auf ein optimiertes Rahmendesign, die Verwendung kleinerer, flexiblerer Zellen und die Anwendung einer speziellen Niedertemperaturtechnik zur Verbindung der Zellen zurückzuführen.

— Der Autor Andreas Thoma ist Leiter des Business Developments Germany bei Panasonic Solar. Er ist seit über 15 Jahren in der Photovoltaik-Branche tätig. —