Deutsche Forscher haben eine innovative Methode entwickelt, die eine günstige digitale Verbraucherkamera in ein leistungsstarkes Messgerät zur quantitativen Diagnose von Silizium-Solarzellen und -modulen verwandelt. Im Herzen dieses technologischen Durchbruchs liegt die Elektrolumineszenz — das eigene Leuchten der Paneele beim Anschluss an eine Stromquelle. Die Verwendung einer modifizierten Spiegelreflexkamera Canon EOS 4000D in Kombination mit einem speziell entwickelten mathematischen Algorithmus ermöglicht es, buchstäblich anhand eines einzigen Fotos die wichtigsten physikalischen Eigenschaften von Solarpaneelen zu bewerten.

Technische Besonderheiten des Kameraumbaus und der Aufnahme

Beim Anlegen einer elektrischen Vorspannung beginnen Silizium-Solarzellen schwache Infrarotstrahlung auszusenden, deren Parameter direkt mit der Qualität des Halbleitermaterials und der Leerlaufspannung zusammenhängen. Zur Erfassung dieses Bereichs entfernten die Forscher den standardmäßigen Infrarotsperrfilter aus der Kamera und installierten stattdessen einen langwelligen Heliopan ES RG850-Filter, der das sichtbare Lichtspektrum vollständig ausblendet. Obwohl ideale Aufnahmebedingungen aufgrund der extrem geringen Intensität der Eigenlumineszenz absolute Dunkelheit erfordern, lösen die entwickelten Kalibrierungsmethoden dieses Problem erfolgreich.

Mathematisches Modell und Messungskalibrierung

Die Hauptaufgabe der Forschungsgruppe bestand nicht nur darin, Infrarotstrahlung zu registrieren, sondern die Helligkeit der Bildpixel präzise in quantitative physikalische Parameter umzuwandeln. Der Silizium-CMOS-Sensor der Kamera ist in der Lage, Strahlung im Bereich von 1120 nm wahrzunehmen, in den die Elektrolumineszenz von Silizium fällt, während die Standard-Bayer-Farbfilter ausreichend Transparenz behalten. Für die Kalibrierung erstellten Wissenschaftler ein Modell, das sowohl lineare als auch nichtlineare Sensorbetriebsmodi berücksichtigt, wodurch die Leuchtintensität in die absolute externe Elektrolumineszenz-Quanteneffizienz EQE_LED mit Bezug auf Referenzwerte umgerechnet werden konnte.

Widersprüchliche Daten

Bei Praxistests der Methode an neuen und alten Solarpaneelen wurden gewisse Abweichungen in der Genauigkeit der Ergebnisse festgestellt. Während die berechneten Daten für neue Module eine hohe Genauigkeit aufwiesen und mit Laborwerten übereinstimmten, blieben die berechneten Werte für lange betriebene alte Paneele deutlich hinter den direkt gemessenen Werten zurück. Dieses Phänomen hat noch keine erschöpfende Erklärung erhalten und erfordert ein weiteres tiefes Nachdenken seitens der Forscher zur Algorithmenanpassung.

Perspektiven der Solar-Express-Diagnostik

Die erzielten Ergebnisse beweisen, dass Elektrolumineszenz-Fotografie nicht nur für die qualitative visuelle Fehlersuche eingesetzt werden kann, sondern auch für eine detaillierte quantitative Bewertung jedes Bereichs eines Solarmoduls. Zukünftig wird eine kalibrierte Budgetkamera es ermöglichen, selbst solche Elemente schnell zu testen, die zuvor in stationären Labors nicht untersucht wurden. In Zukunft beabsichtigen deutsche Forscher, die entwickelte technologie anzupassen, um präzise quantitative Messungen direkt bei Tageslicht durchzuführen, was die Effizienzüberwachung der erneuerbaren Energien auf ein qualitativ neues Niveau hebt.