Von leuchtenden Modulen und leuchtenden Dächern

Schon vor vielen Jahren habe ich mich einmal gefragt, worin sich eigentlich eine Leuchtdiode grundsätzlich von einer normalen Diode unterscheidet. Bei der “normalen” Diode hatte ich als Solarbegeisterter natürlich eine Silizium Solarzelle im Sinn und ich fragte mich ob denn der Vorgang der Verwandlung von sichtbarem Licht in einen elektrischen Strom vielleicht umkehrbar sein könnte. So wie ein Elektromotor eben auch als Generator betrieben werden kann, könnte man ja vielleicht ein Solarmodul auch als Leuchtmittel verwenden.
Wie aus dieser naiven Vorstellung inzwischen eine brauchbare Möglichkeit wurde Solarstromanlagen auf Fehler zu untersuchen, möchte ich im folgenden Artikel erzählen.

Ich hatte die Frage einmal einem Physiker gestellt, der mir erklärte, es handele sich bei Siliziumdioden und damit auch bei Solarzellen um indirekte Halbleiter. Das bedeutet, dass ein Elektron, dass vom Leitungsband ins Valenzband fällt, nicht direkt dorthin gelangt, sondern über eine Zwischenstufe. Die Energie des Elektrons wird also nicht direkt in ein Photon umgesetzt, sondern sie wird im Siliziumkristall in Wärme umgesetzt. Da ich von Quantenmechanik nicht wirklich viel verstehe, habe ich die Antwort akzeptiert und mich damit abgefunden, dass man Solarzellen offenbar nicht zum Leuchten bringen kann. Um so erstaunter war ich vor etwa 3-4 Jahren, als auf dem Photovoltaiksymposium im fränkischen Kloster Banz plötzlich ein Poster des Berliner Photovoltaik Institutes auftauchte, auf dem “leuchtende” Solarmodule gezeigt wurden. Das Leuchten fand allerdings nicht, wie von mir ursprünglich vermutet im sichtbaren Bereich des Lichtes statt, sondern im Nahinfrarotbereich und es war auch nicht wirklich ein Leuchten, sondern eher ein zartes glimmen. Aber immerhin konnte man durch Bestromen des Solarmoduls eine Emission erreichen, die mit Hilfe einer hochempfindlichen Infrarotkamera, bei absoluter Dunkelheit im Labor, sichtbar gemacht werden konnte. Das tolle an den gezeigten Aufnahmen war, dass man genau sehen konnte an welchen Stellen eine Solarzelle mehr und an welchen Stellen sie weniger Strahlung abgegeben hat. So war es zum Beispiel möglich feinste, für das menschliche Auge nicht mehr sichtbare, Haarrisse in den Solarzellen zu lokalisieren. Man konnte damit also Fehler finden, die bis dahin unentdeckt geblieben waren. Die physikalische Erklärung dazu, warum die Zellen nun doch leuchten bzw. glimmen liegt wohl darin begründet, dass es sich bei der Beschreibung der Übergänge vom Leitungs- ins Valenzband um statistische Aussagen handelt. Es ist also nicht sehr wahrscheinlich, dass bei einem indirekten Halbleiter Strahlung emittiert wird, die Wahrscheinlichkeit ist aber größer als Null. Meine Faszination für diese Methode war sofort geweckt und es stellte sich für mich die Frage, ob es denn auch möglich sein könnte ganze Anlagen, bzw. ganze Modulstränge zur Elektrolumineszenz (das ist der Fachbegriff für das glimmen der Zellen) anzuregen. Damit stünde ja dann eine neue Möglichkeit zur Untersuchung von Solargeneratoren zur Verfügung. Auch in diesem Fall ergab die Befragung von Fachleuten jedoch nur negative Antworten. Man brauche eine absolut dunkele Umgebung, das sei im Freien auch bei absoluter Dunkelheit nicht zu erreichen. Also wieder nichts mit einer neuen Untersuchungsmethode im Feld ?
Ich wollte mich allerdings nicht länger durch gut begründete Argumente davon abhalten lassen, wenigsten einmal den Versuch zu unternehmen, ganze Solargeneratoren zum Leuchten zu bringen. Wenn es nicht funktionierte würde ich es dann schon merken. Bestärkt wurde dieser Wille noch dadurch, dass beim letzten Photovoltaiksymposium auf Kloster Banz erstmals ein Anbieter auftrat, der bereits ein System für “Out-Door Elektrolumineszenz” anbot (Die Fa. Great Eyes aus Berlin). Damit stand also fest, dass es funktionieren würde.

Jetzt galt es nur noch eine Möglichkeit zu finden an eine etwas preisgünstigere Kamera heranzukommen, mit der man im Nahinfrarotbereich aufnehmen kann. Die üblichen Industriekameras, die so etwas können, werden nur in kleinen Stückzahlen hergestellt und schlagen mit 20.000.-€ und mehr zu buche. Die Lösung brachten schließlich Experimente und Untersuchungen einer Studentengruppe eines befreundeten Professors. Die Aufnahmen waren nicht viel schlechter, als das, was ich vorher von professionellen Industriekameras gesehen hatte. Der einzige Nachteil ist eine etwas längere Belichtungszeit. Vielleicht nicht dazu geeignet die letzten Feinheiten herauszuholen, die ein Modulhersteller benötigt aber doch gut genug, um viele Fehlerbilder zu diagnostizieren. Allerdings hatten auch die Studenten die Kamera nur im dunklen Labor getestet.
Und hier sind sie schließlich, die ersten eigenen Elektrolumineszenzaufnahmen, die sowohl von einzelnen Modulen als auch von ganzen Solargeneratoren gemacht wurden:

Das erste Bild zeigt eine EL-Aufnahme eines Solarmoduls von Schott (poly 175) mit einem Glasschaden. Man kann deutlich erkennen, das nur wenige der Zellen unbeschadet geblieben sind.

Elektrolumineszenz von Schott Modul mit Glasschaden

Die erste Elektrolumineszenzaufnahme unter freiem Himmel zeigt unsere Braas Indach Anlage mit Modulen vom Typ SRT35. Gut zu erkennen sind auf der Aufnahme die beiden Hot-Spots, die ich kurz vorher bereits mit einer Thermographie Aufnahme entdeckt hatte (dazu gibt’s in Kürze mal einen eigenen Blogbeitrag…).

Elektrolumineszenzaufnahme einer Braas Indach Photovoltaikanlage

Das nächste Bild zeigt eine Infrarotaufnahme ohne Rückstrom.

Infrarotaufnahme einer Braas Indachanlage ohne Rückstrom

Das nächste Bild zeigt eine Nahaufnahme der Braas Indachanlage. Einer der beiden Hot-Spots befindet sich auf dem obersten Modul rechts auf der zweiten Zelle von links.

Out Door Elektrolumineszenzaufnahme Braas Module

Das nächste Bild zeigt eine Gesamtansicht eines Stranges unserer Sunpoweranlage mit Modulen vom Typ SP 240, auf der leider direkt eine fehlerhafte Zelle entdeckt wurde. Oben im Bild erkennt man noch 4 Module eines zweiten Stranges, die nicht bestromt wurden.

Elektrolumineszenzaufnahme Sunpower Module

Das nächste Bild zeigt eine Nahaufnahme der schwarzen Zelle, die offenbar komplett kurzgeschlossen ist.

Elektrolumineszenzaufnahme von Sunpowermodul mit Zellschaden

Das nächste Bild zeigt Module in der Sunpoweranlage mit feinen Haarrissen.

Sunpower Module mit Haarrissen auf den Zellen

Da bereits die ersten Versuche einige Zellfehler deutlich sichtbar gemacht haben, werden die Untersuchungen weiterer Anlagen in Zukunft natürlich fortgesetzt. Ich werde immer mal wieder hier im Blog über die Ergebnisse zu informieren und die interessantesten Bilder veröffentlichen.  Wenn sich die Untersuchungsmethode als praktikabel erweist, werden wir diese Untersuchungen natürlich auch für unsere Kunden anbieten.

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