Fotovoltaik-Testsystem Messen der Abgabeleistung von Solarzellen mit Standardgeräten

Zum Messen der Abgabeleistung von Solarzellen und -modulen bedarf es nicht immer schlüsselfertiger Solarzellen-Testsysteme. Wir zeigen Ihnen am Beispiel einer Messanordnung mit dem zentralen Bestandteil elektronische Last, dass Universalmessgeräte durchaus Vorteile bieten können.

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In einer Welt, in der Umwelt- und Klimafragen eine immer größere Bedeutung gewinnen, die aber immer größeren Energiehunger entwickelt, befeuert das Versprechen der Solarindustrie, erneuerbare, saubere Energie zu liefern, die Entwicklung der Solarzellentechnologie.

Eine wachsende Solarindustrie aber braucht immer mehr Messlösungen für Solarzellen und Solarmodule.

An Solarzellen werden typischerweise die folgenden Schlüsselparameter gemessen:

• Leerlaufspannung (Open-Circuit Voltage, Voc) – Zellenspannung ohne Stromfluss.
• Kurzschlussstrom (short-circuit current, Isc) – Stromstärke bei Lastwiderstand 0.
• Maximale Abgabeleistung (Pmax) – Die Strom/Spannung Kombination, bei der die Zelle die maximale Leistung abgibt. Der Pmax-Punkt auf der Strom-Spannungskurve wird als „Punkt der maximalen Leistung“ bezeichnet (Maximum Power Point, MPP)
• Spannung bei Pmax (Vmax) – Zellenspannung bei maximaler Leistung.
• Strom bei Pmax (Imax) – Zellenstrom bei maximaler Leistung
• Wirkungsgrad (η) – Prozentsatz der eingestrahlten Lichtleistung, der in Elektrizität umgewandelt und an eine elektronische Schaltung abgegeben wird. Der Wirkungsgrad wird berechnet, indem unter Standardbedingungen (STC) die maximale Abgabeleistung Pmax durch die Bestrahlungsstärke (E, in W/m²) und die Fläche der Solarzelle (Ac in m²) dividiert wird.

• Füllfaktor (FF) – Quotient aus Maximalleistung (Pmax) Leerlaufspannung (Voc) und Kurzschlussstrom (Isc)

• Diodeneigenschaften der Solarzelle
• Reihenwiderstand der Solarzelle
• Parallelwiderstand der Solarzelle

Es gibt heute zwei Arten von Messlösungen für Solarzellen: Schlüsselfertige Speziallösungen oder eine Kombination aus normalen Mehrzweckmessgeräten. Schlüsselfertige Systeme sind gut geeignet für die Validierung und die Produktion. Dort sorgen solche Systeme für die Reproduzierbarkeit von Messungen, denn sie sind so programmiert, dass sie eine spezifische Abfolge von Messungen an einer Solarzelle durchführen.

In der Forschung wird gern zu normalen Mehrzweckmessgeräten zurückgegriffen, wie sie in jedem Halbleiterlabor zu finden sind. Forscher verwenden Halbleiterparameteranalysatoren, um damit die Diodencharakteristik zu erfassen, und LCR-Messgeräte zur Bestimmung von Induktivitäten, Kapazitäten und Widerständen.

Zur Messung einer Solarzelle bei voller Ausgangsleistung setzen viele Laboratorien 4-Quadranten-Stromversorgungen (SMU – Source Measuring Unit) ein. Solche Geräte leisten:

• Abgabe von präzisen positiven und negativen Spannungen. „Abgabe“ nennt man in diesem Zusammenhang auch „Aufprägung“.
• Abgabe von präzisen positiven und negativen Strömen. „Abgabe von negativen Strömen“ bedeutet eigentlich „Aufnahme von Strömen durch die Stromquelle“.
• Genaue Messung von Strom und Spannung am Testobjekt.

Zwar sind solche 4-Quadranten-Stromversorgungen sehr vielseitig einzusetzen, aber ihre Leistungsfähigkeit bezüglich Maximalstrom und maximaler Abgabeleistung ist begrenzt.

Die meisten genauen 4-Quadranten-Stromversorgungen liefern einen Maximalstrom von 3 A und eine Dauerleistung von 20 W. Für die Messung kleiner Einzelzellen reicht das, nachdem die Solarzellentechnologie aber immer leistungsfähigere und größere Zellen mit immer größerer Stromdichte liefert, sind die bisher verfügbaren 4-Quadranten-Stromversorgungen schon heute oft zu klein. Heutige Solarmodule geben oft über 50 W ab, sie können bis über 300 W liefern. Solche Module lassen sich mit einer heutigen 4-Quadranten-Stromversorgung nicht messen.

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