Forum für Wissenschaft, Industrie und Wirtschaft

Hauptsponsoren:     3M 
Datenbankrecherche:

 

PTB-Forscher können Ertrag von Solarzellen unter realen Bedingungen bestimmen

30.05.2016

An einem neuartigen Messplatz messen die Wissenschaftler Referenzsolarzellen mit bisher unerreichter Genauigkeit

Solarzellen werden im Labor bisher unter einheitlich festgelegten Bedingungen getestet. Da die realen Bedingungen, wie die Temperatur oder der Einfallswinkel des Lichts, je nach Region und Klima davon abweichen, lässt sich die Leistungsfähigkeit der Zellen im Einsatz vor Ort nur schwer ermitteln.


In einem Labor der PTB werden Solarzellen mit Weißlicht und einfarbigem Licht bestrahlt und kalibriert.

(Quelle: PTB)

Wissenschaftlern der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB) ist es gelungen, mittels eines laserbasierten spektralen Messverfahrens Solarzellen so umfassend zu charakterisieren, dass sich ihr Ertrag für jede beliebige klimatische Bedingung berechnen lässt.

Möglich ist dies durch die Kalibrierung von Referenzsolarzellen bei Standard-Testbedingungen (STC) mit einer weltweit einmaligen Messunsicherheit von weniger als 0,4 Prozent. Da der Markt für erneuerbare Energien boomt, wird es künftig immer wichtiger, die Leistungsfähigkeit der weltweit hergestellten Solarzellen präzise zu vergleichen.

Solarzelle ist nicht gleich Solarzelle. Sie unterscheiden sich hinsichtlich ihres Wirkungsgrades. Das heißt, die Zelle eines Herstellers kann bei einer bestimmten Sonneneinstrahlung (Bestrahlungsstärke) eine höhere elektrische Leistung erzielen als die gleichgroße Zelle eines anderen Herstellers. Während sich hierbei die elektrische Leistung relativ einfach messen lässt, ist die Bestimmung der Bestrahlungsstärke deutlich schwieriger.

Hierfür werden von der PTB Referenzsolarzellen kalibriert, deren Kurzschlussstrom ein Maß für die Bestrahlungsstärke darstellt. Der Kurzschlussstrom ist die größtmögliche Stromstärke, die ein Modul oder eine Zelle erzeugen kann. Gemessen wird bei Standard-Testbedingungen: Die Zelle wird auf Basis eines genormten Sonnenspektrums mit 1000 Watt pro Quadratmeter bestrahlt und in der Solarzelle herrschen 25 Grad Celsius.

Das Normspektrum, das sogenannte „Air Mass 1.5“ (AM1.5), entspricht der spektralen Zusammensetzung von Licht, das in einem Winkel von 48,19 Grad einfällt. So werden Referenzsolarzellen kalibriert, die von der Industrie, technischen Überwachungsinstitutionen oder Fachlaboren genutzt werden können. Problematisch ist nur, dass beispielsweise das Spektrum des Sonnenlichts je nach Tages- und Jahreszeit sowie nach Atmosphärenzusammensetzung variiert. Ebenso weichen Temperatur, Einfallswinkel und Bestrahlungsstärke je nach Einsatzort der Solarzellen von den oben genannten Standardtestbedingungen ab. Insofern lassen sich bei STC nur schwer Ertragsprognosen für die weltweit verwendeten Solarzellen ermitteln.

Daher hat die PTB ihren Solarzellen-Messplatz erweitert. Für die Vergleichsmessungen verwenden die Braunschweiger Wissenschaftler das sogenannte Differential-Spectral-Responsibility-(DSR)-Verfahren, das jüngst zum Laser-DSR-Verfahren weiterentwickelt wurde.

Damit lassen sich die Testbedingungen an reale klimatische Bedingungen anpassen, beispielsweise an Solarzellen-Temperaturen zwischen 15 °C und 75 °C und eine Bestrahlungsstärke von 0 W/m2 bis über 1100 W/m2. Zudem können die Forscher die Wellenlänge und den Einfallswinkel des Lichts variieren. Alle diese Messungen erlauben schließlich einen Vergleich der Leistungsfähigkeit verschiedener Solarzellen. So können Betreiber von Solaranlagen künftig von Kalibrierlaboratorien prüfen lassen, welches Modul für das jeweilige Klima vor Ort am besten geeignet ist.

Bei herkömmlichen (lampenbasierten) DSR-Verfahren wird Weißlicht mittels eines sogenannten Monochromators in einzelne Wellenlängen zerlegt und in kleinen Portionen durch eine Optik auf die Solarzelle gelenkt. So lassen sich alle Farben von ultraviolettem bis infrarotem Licht einstellen. Gleichzeitig wird die Zelle mit weißem Licht bestrahlt, denn nur so werden die für die Messung benötigten 1000 Watt pro Quadratmeter erreicht.

Doch hierbei entsteht ein Problem: Der durch Weißlicht erzeugte Strom ist um bis zu eine Milliarde Mal größer als der durch einfarbiges Licht erzeugte Strom. Bei den Messungen stört dann der große Strom das Signal des kleinen Stroms – man spricht von einem Signal-zu-Rausch-Problem.

Mittels des laserbasierten DSR-Verfahrens ist es den Wissenschaftlern in der PTB gelungen, den Störfaktor je nach Wellenlänge um das 100- bis 10 000fache zu reduzieren. Damit wurde die gesamte Messunsicherheit verbessert – auf den Rekordwert von weniger als 0,4 Prozent. Ein weiterer Vorteil: Bisher konnten nur Referenzsolarzellen einer Größe von 20 mm x 20 mm kalibriert werden. Jetzt lassen sich Zellen mit bis zu 15 cm x 15 cm (6 Zoll) kalibrieren. Von diesem Fortschritt werden vorerst hauptsächlich die Kalibrierlaboratorien profitieren, letztlich aber auch die Technologie. „Denn eine funktionierende globale Kalibrierinfrastruktur ist notwendig für den Erfolg einer Technologie auf dem Weltmarkt“, ist sich Ingo Kröger, Mitarbeiter in der Arbeitsgruppe Solarzellen in der PTB, sicher.
(ms/ptb)

Ansprechpartner in der PTB:
Dr. Stefan Winter, Arbeitsgruppenleiter 4.14 Solarzellen, Telefon: (0531) 592-4140, E-Mail: stefan.winter@ptb.de

Dr. Ingo Kröger, PTB-Arbeitsgruppe 4.14 Solarzellen, Telefon: (0531) 592-4147, E-Mail: ingo.kroeger@ptb.de

Dipl.-Journ. Erika Schow | Physikalisch-Technische Bundesanstalt (PTB)
Weitere Informationen:
http://www.ptb.de/

Weitere Nachrichten aus der Kategorie Physik Astronomie:

nachricht Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion
23.06.2017 | Max-Planck-Institut für Astrophysik

nachricht Individualisierte Faserkomponenten für den Weltmarkt
22.06.2017 | Laser Zentrum Hannover e.V. (LZH)

Alle Nachrichten aus der Kategorie: Physik Astronomie >>>

Die aktuellsten Pressemeldungen zum Suchbegriff Innovation >>>

Die letzten 5 Focus-News des innovations-reports im Überblick:

Im Focus: Can we see monkeys from space? Emerging technologies to map biodiversity

An international team of scientists has proposed a new multi-disciplinary approach in which an array of new technologies will allow us to map biodiversity and the risks that wildlife is facing at the scale of whole landscapes. The findings are published in Nature Ecology and Evolution. This international research is led by the Kunming Institute of Zoology from China, University of East Anglia, University of Leicester and the Leibniz Institute for Zoo and Wildlife Research.

Using a combination of satellite and ground data, the team proposes that it is now possible to map biodiversity with an accuracy that has not been previously...

Im Focus: Klima-Satellit: Mit robuster Lasertechnik Methan auf der Spur

Hitzewellen in der Arktis, längere Vegetationsperioden in Europa, schwere Überschwemmungen in Westafrika – mit Hilfe des deutsch-französischen Satelliten MERLIN wollen Wissenschaftler ab 2021 die Emissionen des Treibhausgases Methan auf der Erde erforschen. Möglich macht das ein neues robustes Lasersystem des Fraunhofer-Instituts für Lasertechnologie ILT in Aachen, das eine bisher unerreichte Messgenauigkeit erzielt.

Methan entsteht unter anderem bei Fäulnisprozessen. Es ist 25-mal wirksamer als das klimaschädliche Kohlendioxid, kommt in der Erdatmosphäre aber lange nicht...

Im Focus: Climate satellite: Tracking methane with robust laser technology

Heatwaves in the Arctic, longer periods of vegetation in Europe, severe floods in West Africa – starting in 2021, scientists want to explore the emissions of the greenhouse gas methane with the German-French satellite MERLIN. This is made possible by a new robust laser system of the Fraunhofer Institute for Laser Technology ILT in Aachen, which achieves unprecedented measurement accuracy.

Methane is primarily the result of the decomposition of organic matter. The gas has a 25 times greater warming potential than carbon dioxide, but is not as...

Im Focus: How protons move through a fuel cell

Hydrogen is regarded as the energy source of the future: It is produced with solar power and can be used to generate heat and electricity in fuel cells. Empa researchers have now succeeded in decoding the movement of hydrogen ions in crystals – a key step towards more efficient energy conversion in the hydrogen industry of tomorrow.

As charge carriers, electrons and ions play the leading role in electrochemical energy storage devices and converters such as batteries and fuel cells. Proton...

Im Focus: Die Schweiz in Pole-Position in der neuen ESA-Mission

Die Europäische Weltraumagentur ESA gab heute grünes Licht für die industrielle Produktion von PLATO, der grössten europäischen wissenschaftlichen Mission zu Exoplaneten. Partner dieser Mission sind die Universitäten Bern und Genf.

Die Europäische Weltraumagentur ESA lanciert heute PLATO (PLAnetary Transits and Oscillation of stars), die grösste europäische wissenschaftliche Mission zur...

Alle Focus-News des Innovations-reports >>>

Anzeige

Anzeige

IHR
JOB & KARRIERE
SERVICE
im innovations-report
in Kooperation mit academics
Veranstaltungen

Von Batterieforschung bis Optoelektronik

23.06.2017 | Veranstaltungen

10. HDT-Tagung: Elektrische Antriebstechnologie für Hybrid- und Elektrofahrzeuge

22.06.2017 | Veranstaltungen

„Fit für die Industrie 4.0“ – Tagung von Hochschule Darmstadt und Schader-Stiftung am 27. Juni

22.06.2017 | Veranstaltungen

 
VideoLinks
B2B-VideoLinks
Weitere VideoLinks >>>
Aktuelle Beiträge

Radioaktive Elemente in Cassiopeia A liefern Hinweise auf Neutrinos als Ursache der Supernova-Explosion

23.06.2017 | Physik Astronomie

Dünenökosysteme modellieren

23.06.2017 | Ökologie Umwelt- Naturschutz

Makro-Mikrowelle macht Leichtbau für Luft- und Raumfahrt effizienter

23.06.2017 | Materialwissenschaften