Ertragsverlust durch schleichende Leistungseinbuße aufgrund PID

Potenzialinduzierte Degradation Ertragsverlust durch schleichende Leistungseinbuße aufgrund PID

28.10.2015

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Das Nachlassen der elektrischen Leistung von Photovoltaik-Zellen aus kristalinem Silizium ist nicht sofort erkennbar, sondern entwickelt sich innerhalb einiger Monate bis weniger Jahre.

Mit dem vom Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP in Freiburg entwickelten Prüfgerät PIDcon lässt sich die Potenzial-induzierte Degradation (PID) schon auf Solarzellenebene nachweisen.
(Bild: © danielschoenen - Fotolia)

Die potenzialinduzierte Degradation (Potential Induced Degradation, PID) ist ein Effekt, der einige Photovoltaik-Module mit kristallinen Silizium-Zellen betrifft und zu schleichenden Leistungseinbußen führt, die nach ein paar Jahren 30% und mehr betragen können.

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Bild 1: Die Kennlinie eines PV-Moduls im Ursprungszustand und während des Degradationsvorgangs. Charakteristisch ist eine Abflachung, bei der die Leerlaufspannung und der Kurzschluss-Strom fast unverändert bleiben, die maximale Leistung (MPP) sich aber um 30% oder mehr verringert (J. Berghold et.al, Potential Induced Degradation of solar cells and panels, proceedings of the 25th EU PVSEC, 2010).

Bild 2: Das Potenzial (Betrag, Vorzeichen und zeitlicher Verlauf) des untersten (blau) bzw. obersten (rot) PV-Moduls innerhalb eines Strings hängt ab vom Typ des eingesetzten Wechselrichters und davon, ob ein Generatorpol geerdet ist. Beispiel für eine MPP-Spannung von 400 V.

Bild 3: Mit dem PIDcon wird der Test auf PID-Anfälligkeit deutlich vereinfacht.

Laut einer technischen Mitteilung von SMA Solar Technology AG arbeiten einige Modulhersteller an der Entwicklung von Gegenmaßnahmen durch den Einsatz neuer Materialien, doch der allgemeine Trend zu 3-phasigen Systemen und Systemspannungen bis zu 1000 V verschärft das Problem momentan eher noch.

SMA-Hinweis zum Vorgehen bei Ertragsverlust

Das Phänomen der potenzialinduzierten Degration (kurz PID) bezieht sich ausdrücklich nur auf einige Modultypen mit Solarzellen aus kristallinem Silizium. Es ist nicht zu verwechseln mit der TCO-Korrosion, einem nicht reversiblen Vorgang, der bei einigen Dünnschichtmodulen auftreten kann, vor allem bei CdTe und a-Si. Zudem gibt es eine Vielzahl anderer Ursachen für Ertragsverluste, eine fachmännische Prüfung der PV-Anlage wird in einem solchen Fall dringend empfohlen. Anlagenbetreiber, die den Verdacht haben von PID betroffen zu sein, sollten sich über Ihren Installateur an den Modulhersteller wenden. Folgende Indizien sprechen laut SMA Solar Technology AG aber dafür, dass die Anlage von PID betroffen ist:

Das Verhältnis der MPP-Spannung zur Leerlaufspannung (Umpp/U0) und auch die Leerlaufspannung U0 selbst hat sich gegenüber den im Datenblatt angegebenen Werten kontinuierlich verringert.

Anlagenteile, die mit identischen PV-Modulen aber anderen Wechselrichtern realisiert wurden, zeigen keine Leistungseinbuße. Besonders gilt dies, wenn diese Anlagenteile mit einer anderen Stringspannung betrieben werden.

Eine Befragung des Herstellers könnte weitere Klarheit bringen. Wenn dieser nicht ausdrücklich betont, dass er seine PV-Module entsprechend getestet und für PID-frei befunden hat, besteht meist ein gewisses PID-Risiko.

Definition von Spannung und Potenzial gegen Erde

Zum Verständnis der PID sind zunächst die Begriffe Spannung und Potenzial zu unterscheiden: Das elektrische Potenzial eines Punktes beschreibt seine Spannung gegenüber einem definierten Bezugs- und Nullpunkt, in den meisten Fällen ist das die Erde. Der Begriff Spannung beschreibt dagegen einen Potenzialunterschied zwischen beliebigen Punkten, also schlicht die Differenz zweier elektrischer Potenziale.

Beispiel: Wenn Punkt A ein Potenzial von 380 V gegen Erde hat und Punkt B ein Potenzial von 430 V, dann beträgt die Spannung zwischen A und B genau 50 V. Typische PV-Module liefern unter Nennbedingungen etwa 30 V, durch serielles Verschalten zu Modulstrings ergibt sich die wesentlich höhere Generatorspannung. Sie treibt einen entsprechenden Gleichstrom, den der Wechselrichter in netzkonformen Wechselstrom umwandelt. Der Erdbezug des PV-Generators, sein Potenzial, wird durch das Potenzial des angeschlossenen Stromnetzes und den Aufbau des Wechselrichters vorgegeben.

Plus- und Minuspol des PV-Generators liegen idealerweise symmetrisch zum Potenzial des (geerdeten) Neutralleiters. Beträgt die MPP-Spannung (maximale Leistung) des Modulstrings beispielsweise 400 V, so hat das PV-Modul am negativen Ende ein Potenzial von −200 V gegen Erde, während das Modul am positiven Ende des Strings ein Potenzial von +200 V aufweist. Bei einigen transformatorlosen Wechselrichtern kann es aber auch zur negativen Seite verschoben sein. Das Problem: Ein positives oder negatives Potenzial gegen Erde kann je nach Modultyp unerwünschte Nebenwirkungen haben – die hier behandelte PID ist eine davon.

Nur bei der Verwendung galvanisch trennender Wechselrichter kann der Bereich und insbesondere das Vorzeichen des Generatorpotenzials frei festgelegt werden. Weil diese ihre Leistung nicht direkt, sondern über eine magnetische Kopplung in das öffentliche Stromnetz abgeben, ermöglichen sie grundsätzlich die Erdung des PV-Generators. Damit lässt sich das Potenzial des gesamten PV-Generators vollständig in den positiven oder negativen Bereich verschieben.

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS Sonderheft Leistungselektronik & Stromversorgung erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Bei transformatorlosen Wechselrichtern besteht diese Möglichkeit jedoch nicht, da sie elektrisch leitend mit dem öffentlichen Stromnetz verbunden sind und es bei einer Erdung intern zum Kurzschluss käme. Das hier geschilderte Phänomen tritt ausschließlich bei Modultypen auf, deren Zellen aus kristallinem Silizium bestehen. Haben die Module im Betrieb ein negatives Potenzial gegen Erde, kommt es zu einer entsprechend hohen negativen Spannung zwischen den Zellen des PV-Moduls und dem aus Sicherheitsgründen geerdeten Aluminium-Rahmen.

Der Effekt ist umso stärker, je näher sich das Modul am Minuspol des PV-Generators befindet, denn dort kann das Potenzial (und damit die Spannung zwischen Zellen und Alumninium-Rahmen) mehr als die halbe Generatorspannung erreichen. Es kann deshalb passieren, dass sich Elektronen aus den im PV-Modul verwendeten Materialien lösen, diesem elektrischen Feld folgen und schließlich über den geerdeten Aluminium-Rahmen abfließen. Das Resultat ist eine zunehmende Aufladung (Polarisation) des Moduls, die (wenn keine Gegenmaßnahmen ergriffen werden) dessen Kennlinie und damit Leistung nachteilig verändert (Bild 2).