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© Fraunhofer ISE
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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4
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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6
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
J. Hohl-Ebinger and W. Warta, Bifacial Solar Cells in STC Measurements. in Proceedings of the 25th EUPVSEC 2010. Valencia, Spain
© Fraunhofer ISE
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Monofaziale Messung Auswirkung der Bifazialität auf SR(λ) und ISC
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
J. Hohl-Ebinger and W. Warta, Bifacial Solar Cells in STC Measurements. in Proceedings of the 25th EUPVSEC 2010. Valencia, Spain
© Fraunhofer ISE
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Monofaziale Messung Auswirkung der Bifazialität auf SR(λ) und ISC
)()()()()()()( , 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)
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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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)
© Fraunhofer ISE
11
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
KW 2 (Januar) Last/GW
Lastkurven Stromnetz Deutschland (2014) Last-Solar
https://www.energy-charts.de/
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
KW 2 (Januar) Last/GW
Lastkurven Stromnetz Deutschland (2014) Last-Wind-Solar
https://www.energy-charts.de/
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
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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
60
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
https://www.energy-charts.de/
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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18
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
Measured front only rear only front+rear
Fill
fact
or [%
]
Set effective irradiance [W/m2]
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
Measured front only rear only front+rear
η [%
]
Set effective irradiance [W/m2]
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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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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