Elektrolumineszenz-Kameras verstehen und bedienen können

Immer wieder bekommen wir Anfragen, von großen EPCs, Solarinstallateuren und Gutachter Kollegen, ob man die von uns gemachten Elektrolumineszenzaufnahmen von Solarmodulen zur Fehlerdiagnose auch selbst machen kann.  Da wir ein kleines Ingenieurbüro sind und nicht vorhaben, im großen Stil nachts durch die Solarparks zu wandern, haben wir uns vor einigen Jahren dazu entschlossen stattdessen unser Wissen weiterzugeben und uns auf die Schulung und Weiterbildung im Bereich der Fehlersuche an Solarstromanlagen zu fokussieren.  Ab und zu bin ich natürlich auch selbst noch “Nachts im Solarpark” unterwegs. Irgendwo muss die Praxiserfahrung ja herkommen. Das Massengeschäft ist allerdings nicht unser Fokus. In diesem Artikel soll es mal darum gehen, wie man eigentlich die Elektrolumineszenzaufnahmen macht, die man an vielen Stellen auf dieser Website sehen kann. Es geht darum, welche Kameras dafür verwendet werden und was bei der Bedienung der Kameras so alles beachtet werden muss, damit am Ende gute Ergebnisse dabei herauskommen.

Zunächst zu den Kameras, die für die Elektrolumineszenz verwendet werden können. Die sogenannte “low-cost-Elektrolumineszenz” wird mittlerweile immer mit modifizierten Standardkameras durchgeführt, die man normalerweise für die konventionelle Fotografie nutzt. Kameras, die für die normale Fotografie geeignet sind, haben zwar Sensoren die für das sichtbare Licht optimiert wurden, die Sensoren sind allerdings mittlerweile so empfindlich geworden, dass sie auch im Nahinfrarotbereich eine ausreichend gute Empfindlichkeit aufweisen, um damit brauchbare Elektrolumineszenzaufnahmen (kurz EL) zu machen.  Die ursprünglich speziell für die Elektrolumineszenz eingesetzten teuren InGaAs Kameras, mit einer speziell auch den EL-Bereich optimierten Empfindlichkeit im Bereich von 1150 nm werden im Prinzip nur noch in der Zellfertigung und im Labor zur Qualitätskontrolle der Solarzellen eingesetzt.

spektrale Empfindlichkeit verschiedener Halbleiterdetektor-Werkstoffe
spektrale Empfindlichkeit verschiedener Halbleiterdetektor-Werkstoffe

Im Feld nutzt man hauptsächlich die deutlich preiswerteren modifizierten Standard-Kameras. Um gute Bildqualitäten zu erzielen, nutzen wir mittlerweile ausschließlich Vollformatkameras der großen etablierten Hersteller Canon, Sony und Nikon.  Zwischen den Kameras gib es natürlich in der Bedienung und in den Möglichkeiten viele Unterschiede. Foto-Enthusiasten können sich auf den Websites der verschiedenen Kamerahersteller über alle Details informieren.  Darum soll es in diesem Artikel nicht gehen. Wir nutzen meist Kameras vom Typ Sony Alpha 7SII und Nikon Z6. Das sind schon etwas ältere Kameramodelle, die für unseren Zweck aber bestens geeignet sind.

Die pvVision EL Kamera dient zum Aufnehmen von Elektrolumineszenzaufnahmen im Feld und bietet damit eine Diagnosemethode, die noch vorwenigen Jahren nur im Labor möglich war.
Die pvVision EL Kamera dient zum Aufnehmen von Elektrolumineszenzaufnahmen im Feld und bietet damit eine Diagnosemethode, die noch vor wenigen Jahren nur im Labor möglich war.

In diesem Artikel soll es insbesondere um die Nutzung der Kameras gehen, das heißt welche der gefühlt 100.000 Menüeistellungen tatsächlich relevant sind. Doch bevor es um die wichtigen Einstellungen geht, um gute EL-Aufnahmen zu erhalten, noch ein paar Worte dazu, was eine “normale” DSLM Kamera von einer EL-Kamera unterscheidet:

Was unterscheidet eine normale DSLM Kamera von einer EL-Kamera ?

Bei normalen DSLM Kameras soll der Sensor seine volle Empfindlichkeit auf das sichtbare Licht richten. Aus diesem Grund wird das unsichtbare Nahinfrarotlicht, für das die Kamera ebenfalls empfindlich ist, ausgefiltert, um den Sensor nicht mit unnötigen Bildinformationen zu sättigen. Das muss für die Nutzung als EL-Kamera natürlich genau umgekehrt werden. Bei einer EL-Kamera wird die Kamera so modifiziert, dass sie eine maximale Transparenz im NIR-Bereich hat. Es wird außerdem auf die Vorderseite des Objektivs ein Filter aufgeschraubt, der den sichtbaren Anteil des Lichtes ausfiltert. Je nachdem, an welchen Modultypen man EL-Untersuchungen machen möchte muss man unterschiedliche Filter verwenden. Für kristalline Solarmodule haben wir gute Erfahrungen mit Filtern gemacht, die alle Wellenlängen unterhalb von 1000nm herausfiltern. Es wird also nicht nur Licht im sichtbaren Bereich, sondern auch ein Teil des unsichtbaren NIR-Bereichs blockiert. Die Modifikation der DSLM Kamera hat zur Folge, dass in aller Regel der Autofokus der Kameras nicht mehr korrekt funktioniert. Wir nutzen außerdem ein lichtstarkes Objektiv, das eine gute Transparenz in dem Bereich hat, in dem die Solarmodule emittieren. Daher gelingen damit auch EL-Aufnahmen von älteren Solarmodulen, die eine schwächere Emission haben, als die neueren emissionsstarken PERC oder TopCon-Module. Der Nachteil, der daraus hervorgeht ist, dass wir keine Autofokusfunktion mehr an den Kameras haben. Wir müssen für unsere EL-Aufnahmen daher manuell fokussieren.

Welche Kameraeinstellungen muss man beachten, um gute EL-Aufnahmen zu erhalten ?

Da die meisten jüngeren Menschen es gewohnt sind, Fotos mit ihrem Handy zu machen, bei dem in der Regel die passenden Einstellungen automatisch vorgenommen werden, muss ich an dieser Stelle (als alter Knacker 😉 ) nochmal kurz in die Grundlagen der Fotografie eintauchen und die wesentlichen Einstellungen zur Erstellung eines Fotos beschreiben.  Das Erstellen von EL-Aufnahmen ist nämlich in der Tat nichts anderes, als das Aufnehmen von Fotos. Wenn man mit den entsprechenden Einstellungen vertraut ist, ist es dementsprechend auch kein Hexenwerk.

Nachfolgend liste ich daher zunächst mal die wesentlichen Einstellungen auf, beschreibe kurz was die jeweilige Einstellung bewirkt und sage etwas zu unseren Standardeinstellungen, mit denen wir unsere EL-Aufnahmen von Solarmodulen machen.

  1. Die Blendeneinstellung
  2. Die Belichtungszeit
  3. Der ISO Wert
  4. Die Stromstärke der Rückbestromung

Die Blende

Die Einstellung der Blende legt im Prinzip fest, wie groß die Öffnung ist, durch die Licht durch das Objektiv und dann auf den Sensor trifft. Kleine Blendenzahlen (1,4 oder 2) bedeuten dabei “große Öffnung = viel Licht”, große Blendenzahlen (z.B. 22) bedeuten kleine Blendenöffnungen und wenig Licht, das auf den Sensor trifft.
Warum sollte man nun die Lichtmenge auf den Sensor verringern ? Ganz einfach, je kleiner die Blendenöffnung ist, desto größer ist der Bereich des Bildes der scharf abgebildet wird.  Will man also eine große Tiefenschärfe erreichen, muss man kleine Blendenzahlen wählen. Da wir, bei der EL von Solarmodulen meistens direkt vor den Modulen stehen, die alle in etwa gleich weit von der Kamera entfernt sind, brauchen wir keine große Tiefenschärfe. Man kann die Blende also problemlos voll aufmachen. Ein kleiner Nachteil, bei voll geöffneter Blende ist allerdings, dass die Lichtverteilung über den Sensor nicht gleichmäßig ist. Am Besten ist für unsere Zwecke daher eine Blendeneinstellung zwischen 2 und 4.

Die Einstellung der Blende entscheidet darüber, wie groß die Öffnung ist, über die das Licht durch das Objektiv auf den Sensor gelangt.
Die Einstellung der Blende entscheidet darüber, wie groß die Öffnung ist, über die das Licht durch das Objektiv auf den Sensor gelangt.

Die Belichtungszeit

Die Belichtungszeit sollte man so wählen, dass die Aufnahmen nicht verwackelt werden. Wenn mit der Kamera aus der Hand fotografiert werden soll oder sie unter einer Drohne hängt, sollte die Belichtungszeit nicht unter 1/15s gewählt werden, da die Aufnahmen sonst leicht verwackeln. Um sich einen schnellen Überblick zu verschaffen, ist es durchaus sinnvoll, Belichtungszeiten in diesem Bereich zu verwenden und dafür den ISO-Wert etwas größer einzustellen. Die meisten Fehler kann man auch im Videomodus gut erkennen. Wenn die Aufnahmen qualitativ etwas besser ausfallen sollen, sollte man allerdings längere Belichtungszeiten um die 2 Sekunden wählen, wofür dann zwingend die Nutzung eines Stativs bzw. eines Hochstativs notwendig ist.

Die Einstellung der Belichtungszeit entscheidet darüber, ob man für die Aufnahme ein Statviv benötigt oder ob die Aufnahme aus der Hand gemacht werden kann.
Die Einstellung der Belichtungszeit entscheidet darüber, ob man für die Aufnahme ein Stativ benötigt oder ob die Aufnahme aus der Hand gemacht werden kann.

Der ISO Wert

In der Zeit vor der Digitalfotografie stand der ISO-Wert für die Körnung des Films, das heißt grobe Körner bedeuteten eine hohe Lichtstärke, dafür aber weniger Körner pro cm² Filmfläche,  also ein höheres Bildrauschen. Heute in der digitalen Zeit bedeutet ein höherer ISO Wert, dass mehr Pixel zu einem zusammengerechnet werden. Dadurch steigt analog zum Analogfilm die Lichtempfindlichkeit bei sinkender Pixelzahl/mm². Höhere ISO-Werte bedeuten demnach hellere, dafür aber verrauschtere Fotos. Die praktische Bedeutung für die EL lässt sich so zusammenfassen, dass man die kürzeren Belichtungszeiten, um im Videomodus zu arbeiten, durch ein etwas höheres Bildrauschen erkauft. Für die schönen Fotos für ein Gutachten nimmt man daher immer ein Stativ. Wenn es nur darum geht, schnell mal zu schauen, welches Modul nun die defekte Bypassdiode hat, genügt es völlig im Videomodus bei niedriger Belichtungszeit (1/15s) und hohen ISO Werten zu arbeiten. Wie hoch der ISO Wert tatsächlich sein muss, hängt wiederum vom betrachteten Solarzellentyp und dessen Emission ab.

 

Der ISO Wert entscheidet darüber, ob ein Bild mehr oder weniger verrauscht ist. Größere ISO-Werte liefern mehr Helligkeit, dafür aber ein größeres Bildrauschen.
Der ISO Wert entscheidet darüber, ob ein Bild mehr oder weniger verrauscht ist. Größere ISO-Werte liefern mehr Helligkeit, dafür aber ein größeres Bildrauschen.

Die Stromstärke der Rückbestromung

Grundsätzlich gilt: Elektrolumineszenzaufnahmen erfordern eine Rückbestromung der Solarmodule. Bei Moduleinzeluntersuchungen genügt ein handelsübliches Labornetzteil, bei Untersuchungen im Feld wird ein Servicenetzteil benötigt, das ganze Modulstränge gleichzeitig rückbestromen kann und Spannungen von bis zu 1500V liefern kann. Wir verwenden für unsere Anlagenüberprüfungen unser selbstentwickeltes Servicenetzteil pvServe.

Die letzte Größe, “die Stromstärke der Rückbestromung”, hat mit den Einstellungen an der Kamera nichts zu tun, wirkt sich aber dennoch auf die Helligkeit der erzielten EL-Aufnahmen aus. Grundsätzlich gilt hierbei, wie bei einer LED die Regel, je mehr Strom, desto mehr Helligkeit. Tatsächlich ist es allerdings so, dass die Spannung in guter Näherung proportional zur Emission der Solarzellen ist. Das bedeutet, dass man einen logarithmischen Zusammenhang hat.  Zunächst wird das EL-Bild mit zunehmendem Strom immer heller, erreicht dann aber einen Sättigungspunkt, ab dem es auch mit deutlich mehr Strom kaum noch heller wird. Das bedeutet außerdem, dass Solarzellen mit hoher Leerlaufspannung eine deutlich bessere Emission im NIR zeigen, als ältere Solarzellen mit kleineren Leerlaufspannungen. In der Praxis bedeutet das, das man mit älteren Solarmodulen mit 6″ Solarzellen mit einem Rückstrom von 3,5A – 5A recht gute Ergebnisse erzielt, während bei neueren PERC oder TopCon Solarzellen bereits Stromstärken um die 1,5A – 2 A gute EL-Aufnahmen ermöglichen. Solarzellenhersteller bestromen oft auch mit Isc der jeweiligen Solarzelle, also mit Strömen bis zu 13 A. Dies bringt für die Fehlersuche im Feld allerdings keinen Zugewinn an Informationen.

Das manuelle Fokussieren

Wie bereits weiter oben erwähnt, büßen die modifizierten Kameras mit den speziellen NIR Objektiven ihre Autofokus Funktion ein. Wenn man sich die Bedientasten an den Kameras so einstellt, dass man bequem auf den Fokus-Zoom zugreifen kann, kann man allerdings ganz einfach auch manuell fokussieren. Im hier eingebetteten Video kann man sehen, wie das funktioniert.

Der erste Einstieg

Neben einer kurzen Beschreibung der wichtigsten Einstellungen der Kamera ist es natürlich notwendig das Ganze selbst mal auszuprobieren und ein wenig mit den Kameraeinstellungen herumzuspielen. Ich stelle mir zum Beispiel die Nachschauzeit immer auf den Maximalwert, das heißt die Zeit, die ein gerade geschossenes Foto noch auf dem Display angesehen werden kann. Außerdem arbeite ich bei EL-Aufnahmen grundsätzlich im Schwarz-Weiss Modus, da es im NIR Bereich ohnehin keine Farben mehr gibt. Macht man diese Einstellungen nicht, haben alle Aufnahmen halt einen Rosa-Stich. Außerdem kann man bei manchen Kameras die Namen der Ordner, in denen die Aufnahmen abgelegt werden, so einstellen, dass man später noch weiß,  was auf dem Bild eigentlich zu sehen ist. “Eine nicht zu vernachlässigende Überlegung”, wenn man bedenkt, dass man bei solchen EL-Sessions oft hunderte von Fotos macht, die alle mehr oder weniger gleich aussehen. Das ist aber reine Geschmackssache. Außerdem wird bei der EL immer in den manuellen Kameramodi gearbeitet und wenn die Kameramodelle dies zulassen, habe ich immer mehrere Voreinstellungen für den Video- und für den Bildmodus.

Wo bekommt man eine Kamera her ?

Wir wurden in der Vergangenheit oft gefragt, wo man die Kameras für die EL-Untersuchungen herbekommt, die wir für unsere eigenen Anlagenüberprüfungen modifiziert hatten. Es gibt einige kleine Firmen, die den Umbau solcher Kameras anbieten, da man auch in der Astrofotografie ähnliche Umbauten benötigt. Dann braucht man noch ein entsprechend gutes NIR Objektiv und den Sperrfilter für das sichtbare Licht. Wer will und die Zeit dafür hat, kann auch selbst Standardkameras modifizieren, selbst ausprobieren, welche Kameras und welche Komponenten geeignet sind und welche nicht. Dabei kann auch schon mal die ein oder andere Kamera kaputt gehen, das gehört zum Ausprobieren dazu und ging uns ganz genauso 😉

Da viele unserer pvServe-Kunden uns immer wieder gefragt haben, wo man denn eine solche Kamera herbekommt, haben wir uns irgendwann dazu entschlossen, die Kameras nicht nur für uns selbst zu modifizieren, sondern auf Anfrage fertige EL-Kameras als pvVision anzubieten. Das ist nicht unser Hauptgeschäft und wir machen dafür auch keine Werbung. Wir bieten ausschließlich fertige Kameras an, keine einzelnen Komponenten. Wer nicht nur eine Kamera haben will, sondern auch noch nach einem Ansprechpartner sucht, der ihm oder ihr auch mal weiter hilft, wenn man sich bei der Interpretation von EL-Bildern unsicher ist, bekommt bei uns immer eine Unterstützung. Wir setzen auf ein gutes Networking und einen regen Austausch unter den Fachkollegen.

Daniel Schreiber (Schreiber.Solar ) aus unserem PV-Netzwerk hat sich die Mühe gemacht, das hier Gesagte mal in einem kleinen Erklärvideo zusammenzufassen (im Moment noch nur auf englisch).
Wer also lieber Videos schaut als liest, kann sich auch das Video ansehen.

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