Charakterisierung von Bifazial -Solarzellen · © Fraunhofer ISE Charakterisierung von Bifazial -Solarzellen Jochen Hohl-Ebinger, Michael Rauer, Alexandra Schmid . Fraunhofer-Institut

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Charakterisierung von Bifazial-Solarzellen

Jochen Hohl-Ebinger, Michael Rauer, Alexandra Schmid Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE Workshop PV-Modultechnik Köln, 13.11.2015 www.ise.fraunhofer.de

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Rahmen und Gliederung

Monofaziale Messungen bifazialer Zellen (Ergebnisse)

Bifaziale Anwendungen (Motivation)

Bifaziale Messung (vorliegende Arbeit)

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3

500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

spec

tral ir

radi

ance

[W m

-2nm

-1]

wavelength [nm]

Standardtestbedingungen (STC) Wie erreichen wir eine internationale Vergleichbarkeit der Ergebnisse?

Herkömmlicher Weg:

Realisieren von STC nach IEC 60904

Schätzen des Unsicherheitsbudgets

Aber:

Bifazialität nicht berücksichtigt in STC

spektrale Verteilung

Temperatur 25°C

Einstrahlung 1000 W/m²

AM1.5G Edition 2

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Unsicherheit der Referenzkalibrierung Kalibrierkette des ISE CalLab PV Cells

Planck-Spektrum, kleine Diode

Synthetische Strahlung, kleine Zelle

Simulator-Strahlung, große Fläche

Beiträge > 0,1% signifikant!

Starke wirtschaftliche Auswirkungen: 0.1 % von 50 GWp/a PV-Weltproduktion 50 Mio. €

Cryoradiometer < 0.01%

Photodiode

Verkapselte 2x2 cm²- Solarzelle

Industrielle Solarzelle

< 0.01%

< 0.4-0.7%

< 0.1%

< 1-2%

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Einschätzung der Auswirkung von Bifazialität Reihe von Testzellen mit Unterschiedlicher Bifazialität

Gemessene spektrale Empfindlichkeit

400 600 800 1000 12000.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

SR [A

/W]

Wavelength [nm]

Cell A Cell B Cell C Cell D

Front side

400 600 800 1000 12000.00

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

SR [A

/W]

Wavelength [nm]

Cell A Cell B Cell C Cell D

Back sideBestrahlung von Vorderseite Bestrahlung von Rückseite

Zelle B: vollständig bifazial

Zellen A, C, D: Rückkontaktzellen mit unterschiedlichem Metallisierungsanteil

J. Hohl-Ebinger and W. Warta, Bifacial Solar Cells in STC Measurements. in Proceedings of the 25th EUPVSEC 2010. Valencia, Spain

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Monofaziale Messung Auswirkung der Bifazialität auf SR(λ) und ISC

Solarzelle T(λ)

E(λ)

400 500 600 700 800 900 1000 1100 12000

5

10

15

20

25

30

35

Tran

smiss

ion

[%]

Wavelength [nm]

bifacial cell A B C D


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Solarzelle / Modul

Chuck / Modulhalterung T(λ)

E(λ)

R(λ)

200 400 600 800 1000 12000

20

40

60

80

100

Refle

ctio

n [%

]

Wavelength [nm]

black foil black anodized brown anodized Cu brass1 brass2 with

ad. foil gold plated


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8


)()()()()()()( , λλλλλλλ backChuckCellfrontcontribbackfrontmeas SRRTSRSRSRSR +=+=

λλλλλ ∂= ∫ )()()()(, backChuckCellcontribback SRRTEI

Solarzelle / Modul

Chuck / Modulhalterung T(λ)

E(λ)

R(λ)

Superposition: Lineares Verhalten angenommen!

~ 0,8-1,2% zusätzlicher Strom (voll bifaziale Zelle)


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Bifaziale Anwendungen Zwei Hauptausrichtungen

S+ – orientiert zur Sonne (z. B. 30°) zusätzliche Bestrahlung + <40% von der Rückseite

VNS – Vertikale Installation Nord-Süd (Exposition Ost/West)

Fass

ade

Fassaden-Abschattung

Gerade Dachfläche

Solarpark

Ebene Dachfläche

Schallschutzwände

Solarpark

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Bifaciale Anwendungen Zwei Hauptausrichtungen

Simulation (Mai): C. Reise

Fass

ade

4 6 8 10 12 14 16 18 20 220.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

rel.

pow

er

Time

GlobHor VNS

S+ – orientiert zur Sonne (z. B. 30°) zusätzliche Bestrahlung + <40% von der Rückseite

VNS – Vertikale Installation Nord-Süd (Exposition Ost/West)

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140 160 180 200 220 240 260 28020

30

40

50

60

70

80

Last

/GW

Stunden

KW 2 (Januar) Last/GW

Lastkurven Stromnetz Deutschland (2014) Last

https://www.energy-charts.de/

3320 3340 3360 3380 3400 3420 3440 3460 348020

30

40

50

60

70

80

Last

/GW

Stunden

KW 21 (Mai) Last/GW

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3320 3340 3360 3380 3400 3420 3440 3460 348020

30

40

50

60

70

80

Last

/GW

Stunden

KW 21 (Mai) Last/GW

140 160 180 200 220 240 260 28020

30

40

50

60

70

80

Last

/GW

Stunden


Lastkurven Stromnetz Deutschland (2014) Last-Solar


140 160 180 200 220 240 260 28020

30

40

50

60

70

80

Last

-Sol

ar/G

W

Stunden

KW2 (Januar) Last-Solar/GW

3320 3340 3360 3380 3400 3420 3440 3460 348020

30

40

50

60

70

80

Last

-Sol

ar/G

W

Stunden

KW21 (Mai) Last-Solar/GW

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3320 3340 3360 3380 3400 3420 3440 3460 348020

30

40

50

60

70

80

Last

/GW

Stunden

KW 21 (Mai) Last/GW

140 160 180 200 220 240 260 28020

30

40

50

60

70

80

Last

/GW

Stunden


Lastkurven Stromnetz Deutschland (2014) Last-Wind-Solar


140 160 180 200 220 240 260 28020

30

40

50

60

70

80

Last

-Sol

ar/G

W

Stunden

KW2 (Januar) Last-Solar/GW

3320 3340 3360 3380 3400 3420 3440 3460 348020

30

40

50

60

70

80

Last

-Sol

ar/G

W

Stunden

KW21 (Mai) Last-Solar/GW

140 160 180 200 220 240 260 28020

30

40

50

60

70

80

Last

-Win

d-S

olar

/GW

Stunden

KW2 (Januar) Last-Wind-Solar/GW

3320 3340 3360 3380 3400 3420 3440 3460 348020

30

40

50

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70

80

Last

-Win

d-S

olar

/GW

Stunden

KW21 (Mai) Last-Wind-Solar/GW

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Bifazialität im Stromnetz Last-Wind-Solar vs. VNS


4 6 8 10 12 14 16 18 20 220.0

0.2

0.4

0.6

0.8

4 6 8 10 12 14 16 18 20 2240

45

50

55

60

rel.

Pow

er

Time

VNS

Last

-Win

d-So

lar/G

W

Last-Wind-Solar/GW

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Charakterisierung der Bifazialität Relevante Werte

Monofaziale Leistung Vorderseite > 0

Monofaziale Leistung Rückseite > 0

Bifaziale Zelle/Modul

Bifaziale Performance

X Sonnen vorne + Y Sonnen hinten

(X,Y) = ? 4 6 8 10 12 14 16 18 20 220.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

rel.

pow

er

Time

GlobHor VNS

S+: (0-1 , 0-0.4)

ISC ≤ ~1.4 Sonnen

S+

VNS

VNS: (0-0.7 , 0-0.7)

ISC ≤ ~0.8 Sonnen

Sicherheitsfragen (Verkabelung, Bypass-Dioden….)

Unterschiedliche Optimierung (Zelle und Modul)

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Leistungsverhältnis Vorder-/Rückseite

Metallisierungsanteil (Abschattung)

Oberflächenstrukturierung vs. Passivierung (rückseitig)

Serienwiderstand

Charakterisierung der Bifazialität Messungen zur Unterstützung der Zellentwicklung

0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1.0 1.1 1.2 1.3 1.4

-4

-3

-2

-1

0

1

2

Dev

. to

eta(

STC

) [%

]

G [1000 W/m²]

60 CellsRs [Ohm]

0.25 0.33 0.41

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Bifaziale Messungen Zell- und Modul-IV-Charakterisierung

M. Ezquer et. al., 23th EUPVSC 2008, Valencia Spain

Erweiterung des Messaufbaus vorgeschlagen von M. Ezquer

Vorteile:

Vorderseite: G = 0-1.4 Sonnen

Rückseite: G = 0-1.4 Sonnen

Simultane Bestrahlung von Vorder- und Rückseite

Austausch des Spiegels mit bestimmten Oberflächen

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200 400 600 800 1000 1200 1400580

600

620

640

660

No temperature regulation

Measured front only rear only front+rear

Ope

n-ci

rcui

t vol

tage

Voc

[mV

]

Set effective irradiance [W/m2]200 400 600 800 1000 1200 1400

0

2000

4000

6000

8000

10000

12000

14000Measured

front only rear only front+rear

Sho

rt-ci

rcui

t cur

rent

den

sity

I sc [m

A]

Set effective irradiance [W/m2]

Bifaziale Messungen Zell- und Modul-Charakterisierung

200 400 600 800 1000 1200 140072.0

73.0

74.0

75.0

76.0

77.0

No temperature regulation


Fill

fact

or [%

]


200 400 600 800 1000 1200 1400

15.5

16.0

16.5

17.0

17.5

18.0

18.5

19.0temperature regulation:22.7 +/- 0.5 °C


η [%

]


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Bifaziale Messungen Zell- und Modul-Charakterisierung

Weitere Arbeiten:

Zelltemperierung

Validierung der Messungen

Simulation Messaufbau (Raytracing)

Zellsimulation (Superposition)

Superposition Prinzip ?

Standards für Messung an bifazialen Zellen

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Messung der Spektralen Empfindlichkeit an großen Zellen Filtermonochromator

Test sample

Filter wheel

Chopper

Bias light

Monitor system

Cell C

urre

nt [A

]

Bias Intensity [W/m²]

linear non-linear

Injection dependencerecombination

high Rs

Differentielles Messverfahren:

Bevorzugt zur Linearitätsprüfung (dielektrische Passivierung)

Hohe Genauigkeit bei Zellmessung

Lamp

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Cell C

urre

nt [A

]

Bias Intensity [W/m²]

linear non-linear

Injection dependencerecombination

high Rs

Messung der Spektralen Empfindlichkeit an großen Zellen Bifaziale Solarzellen

Test sample

Filter wheel

Chopper

Bias light

Lamp

Monitor system

Add. Bias light

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Zusammenfassung Möglichkeiten zur Charakterisierung der Bifazialität

IV-Messung

Vorderseite: 0-1 Sonnen

Rückseite: 0-1 Sonnen

Vorder- und Rückseite gleichzeitig: (0-1.4, 0-1) Sonnen

Messung der spektralen Empfindlichkeit

Differentielles Messverfahren zur Bestimmung von (Nicht-)Linearitäten

Bias vorder- und rückseitig (separat und gleichzeitig; 0-1.4 Sonnen)

Aus Device-Simulation

Validierung von Messeffekten

Prognose von Linearitätseffekte

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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!

Fraunhofer ISE CalLab PV Cells

Kalibrierservice für Forschung und Industrie Messungen an allen Arten von Solarzellen (single/multi-junction) Akkreditiert als ISO 17025 DAkkS Labor

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