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Zuverlässigkeitsuntersuchungen für Solarzellen basierend auf Elektrolumineszenz-Rissfortschrittsanalysen an speziellen Prüfkörpern

 
: Sander, M.

Nordmann, T. ; Ostbayerisches Technologie-Transfer-Institut e.V. -OTTI-, Bereich Erneuerbare Energien:
28. Symposium Photovoltaische Solarenergie 2013 : 06. bis 08. März 2013, Kloster Banz, Bad Staffelstein
Regensburg: OTTI, 2013 (Wissen für Profis)
ISBN: 978-3-943891-09-6
S.190-191
Symposium Photovoltaische Solarenergie <28, 2013, Bad Staffelstein>
Deutsch
Konferenzbeitrag
Fraunhofer CSP ()
PV-Module; Solarzelle; Riß

Abstract
"Photovoltaik-Module (PV-Module) müssen im Einsatz eine Reihe von Belastungen und Umwelteinflüssen (Temperaturwechsel, Windlasten, Schneelasten, etc.) ertragen. Bisherige Untersuchungen nach mechanischen und thermischen Belastungen haben gezeigt, dass in PV-Modulen vor allem Risse in Solarzellen ein häufig auftretendes Problem sind. Diese Risse beeinträchtigen die Modulleistung und können im schlimmsten Fall zu Kurzschlüssen und Hot-Spots führen. Aufgrund der Streuung der Festigkeitswerte von Silizium ergibt sich für Solarzellen bei einer bestimmten Belastung eine gewisse Ausfallwahrscheinlichkeit. Da zudem die mechanische Spannung in den einzelnen Solarzellen über ihre Position im Solarmodul stark variiert, ist eine Bewertung der Festigkeit von Solarzellen durch mechanische Belastungstests an Solarmodulen nicht trivial. Deshalb ist es notwendig, die Rissentstehung und den Rissfortschritt systematisch unter definierten Randbedingungen zu untersuchen.
Zu diesem Zweck wurden Prüfkörper, bestehend aus Glas, Verkapselungsmaterial (EVA), Solarzellen und ggf. Rückseitenfolie, hergestellt, die anschließend definiert belastet und mit Elektrolumineszenz analysiert wurden.
Zur Untersuchung des Verhaltens bei mechanischer Belastung wurden die Prüfkörper einachsig gebogen, wobei die Biegung entweder senkrecht oder parallel zu den Busbars der Zellen erfolgte. Es hat sich gezeigt, dass die Zellen bei mechanischer Belastung brechen und die Richtung der Risse von der Belastungsrichtung abhängt. Risse parallel zu den Busbars traten bei geringeren Belastungen auf, als Risse senkrecht zu den Busbars. Es wurde außerdem festgestellt, dass nach thermischer Belastung meist kleine Risse (< 10 mm) an den Busbars entstehen. Ausgehend von diesen Rissen brechen die Zellen bei einer sehr viel geringeren mechanischen Belastung als Zellen, die keine Vorschäden aufweisen. Als Ergebnis der Untersuchungen wurden Festigkeitskennwerte für die Zellen in den verschiedenen Richtungen ermittelt.
Mit Hilfe von numerischen Simulationsmodellen des Versuchsaufbaus und der Anwendung einer probabilistischen Methode zur Zuverlässigkeitsbewertung konnten die Beobachtungen im Experiment beschrieben und erklärt werden. Dies betrifft insbesondere die Richtungsabhängigkeit der Höhe der Bruchkräfte. Kernpunkt dabei war die Überlagerung von thermomechanischen Eigenspannungen z.B. durch Löten und der Laminierung mit den mechanischen Belastungen.
Aufbauend auf den Ergebnissen der Festigkeitskennwerte und der Anwendung des Größeneffektes für spröde Werkstoffe konnten Bruchwahrscheinlichkeiten pro Zelle ermittelt werden. Dies erlaubt einen tiefergehenden Einblick in die mechanischen Zusammenhänge von Modulaufbau und dem Versagen von Solarzellen. Es wurde festgestellt, dass die maximale Verformung eines Solarmoduls unter einer mechanischen Last, keinen zufriedenstellenden Hinweis auf die zu erwartende Zuverlässigkeit des Solarmoduls liefert. Durch Berücksichtigung der mechanischen Eigenschaften aller im Solarmodul verwendeten Materialien können Empfehlungen zur Optimierung des Modulaufbaus getroffen werden, um die Gefahr von Zellbrüchen zu reduzieren."

: http://publica.fraunhofer.de/dokumente/N-281909.html