Innovative Kamera-Technologie zur Messung der Leerlaufspannung von Solarzellen

Die Photovoltaik-Technologie entwickelt sich rasant weiter. Neue Ansätze zur Messung der Effizienz von Solarzellen sind entscheidend, um den wachsenden Energiebedarf nachhaltig zu decken. Eine bahnbrechende Entwicklung ist die Umrüstung einer handelsüblichen Digitalkamera, die von einem Forschungsteam der Universität Stuttgart, des Forschungszentrums Jülich und dem Solarzentrum Stuttgart durchgeführt wurde. Ziel dieser Umrüstung ist es, die Elektrolumineszenz von Silizium-Solarzellen präzise zu messen und daraus die Leerlaufspannung abzuleiten.

Hintergrund zur Elektrolumineszenz

Die Elektrolumineszenz beschreibt die Emission von Licht durch ein Material, in diesem Fall Silizium, wenn es elektrisch angeregt wird. Bei Solarzellen ist die Elektrolumineszenz ein wichtiger Indikator für die Qualität und Effizienz. Durch das Messen der Elektrolumineszenz können Rückschlüsse auf die strukturelle Integrität und die Leistung der Solarzelle gezogen werden. Ein hoher Wert der externen Quanteneffizienz (EQE) ist wünschenswert, da er auf eine effektive Umwandlung von Licht in elektrische Energie hinweist.

Technische Modifikationen der Kamera

Die Modifikation der Kamera umfasst das Entfernen des Infrarot-Sperrfilters, welcher die Fähigkeit der Kamera, Infrarotstrahlung zu detektieren, stark einschränkt. Das Team wählte das Modell Canon EOS 4000D und stattete es mit einem Heliopan ES RG850-Langpassfilter aus, um störende sichtbare Strahlung auszublenden. Somit kann die modifizierte Kamera Strahlung im nahen Infrarotbereich erfassen, was die Messgenauigkeit erheblich steigert.

Kalibrierung für präzise Messungen

Ein zentrales Element des Projektes war die Entwicklung eines Kalibrierungsmodells, das die Bildhelligkeit der Kamera mit der absoluten Lumineszenz der Solarzellen in Beziehung setzt. Um zu gewährleisten, dass die Messungen reproduzierbar sind, wurde der lineare sowie der nichtlineare Ansprechbereich der Kamera untersucht. Diese methodische Herangehensweise ermöglicht es, die gemessene Helligkeit in die absolute elektrolumineszente EQE umzurechnen.

Ergebnisse und Anwendungen

Die erste Validierung der neuen Technik ergab, dass eine Verzehnfachung der Lumineszenzreaktion mit einem Anstieg der Leerlaufspannung um etwa 60 Millivolt korrespondiert. Diese Erkenntnisse haben das Potenzial, die Qualität von Solarzellen weitreichend zu beeinflussen und die Effizienz von Solarenergieanlagen erheblich zu steigern.

Ein Funktionsmodell zur Bestimmung von Quanteneffizienzen und Leerlaufspannungen kann nicht nur für die Charakterisierung neuer Solarzellen verwendet werden, sondern auch für die Überwachung bestehender Anlagen. Dies ist besonders relevant, da die weltweite Solarenergiemenge stetig ansteigt. Im Jahr 2023 wurde global eine installierte Kapazität von 1.065 Gigawatt (GW) erreicht, mit einer prognostizierten Verdopplung innerhalb der nächsten fünf Jahre.

Ausblick

Die Forscher peilen an, ihre Methode auch auf Photolumineszenzmessungen auszudehnen und potenziell Messungen unter Tageslichbedingungen zu integrieren. Dies könnte die Anwendbarkeit und Flexibilität der Technologie weiter erhöhen. Solche Entwicklungen sind entscheidend, um den Herausforderungen der Energiewende zu begegnen und die Effizienz von Solarzellen kontinuierlich zu verbessern.

Die Ergebnisse dieser Forschung wurden in einer wissenschaftlichen Arbeit mit dem Titel „New camera model for absolute quantum efficiency measurements from electroluminescence of solar cells or modules“ veröffentlicht. Diese fortschrittliche Kamera-Technologie könnte demnächst in der industriellen Praxis Anwendung finden und wesentlich zur Effizienzsteigerung der Solarenergie beitragen.