Die Launen der Dünnschichtigen

Frisch aus dem „Ofen“, gleich durch die Endkontrolle, und die Messergebnisse garantieren bereits vor der Auslieferung den während der Lebensdauer zu erwartenden Ertrag. Leider ist das noch eine Zukunftsmusik. Die verlässliche Prognose für Dünnschichtmodule ist zurzeit noch ebenso unmöglich wie die Vorhersage, ob und welchen akademischen Grad ein fünfjähriges Kind einst erreichen wird. Doch genau an diesem, bislang Unvorstellbaren arbeitet man im Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg, besser bekannt unter der Abkürzung ZSW.

Die „Kinder“, deren Leistung für die nächsten 20 Jahre einigermaßen korrekt prognostiziert werden soll, sind im übertragenen Sinne die Technologien der Dünnschichtzellen, die jetzt in größerem Maßstab produziert werden. Das ZSW hat dazu eigens ein neues Testzentrum eingerichtet.

Das Team um den Physiker Hans-Dieter Mohring testet dort neben Cadmium-Indium-Selen-Zellen, den so genannten CIS-Modulen, seit dem Jahr 2003 auch Cadmium-Tellurid-Module: „Damals war Stand der Technik, dass Module 42 bis 45 Watt Leistung abgaben. Heute haben Module desselben Typs bis zu 75 Watt Leistung“, sagt er. Ihr Wirkungsgrad hat sich in den letzten fünf Jahren also fast verdoppelt.

Testverfahren schnell veraltet

Kaum habe sich eines der in Stuttgart entwickelten Messverfahren zur Leistungsbestimmung und Ertragsvorhersage etabliert, müsse man es schon wie der veränderten Gegebenheiten anpassen, beispielsweise den Schritten eines veränderten und optimierten Produktionsprozesses. Prozessveränderungen, auch wenn sie nur die Produktion effektiver machen sollen, haben grundsätzlich Konsequenzen für das Endprodukt: „Ich kann mir nicht sicher sein, dass vor einem Jahr produzierte Dünnschichtmodule nach einem modifizierten Produktionsprozess noch dieselben Eigenschaften haben“, sagt Mohring.

Die Ergebnisse der Forschungen, zeigen, dass sich dabei nahezu alle Eigenschaften ändern, positive wie negative. Dabei ist es nicht nur schwer, die Alterung korrekt vorherzusagen. Nicht einmal bei der Messung der Leistung fabrikneuer Module können die Experten sicher sein. Beispielsweise hatten vor fünf Jah ren neben CIS-Modulen auch Cadmium-Tellurid-Module eine sehr gute Schwachlichtempfindlichkeit, ideal für nördliche Breiten. „So lag in diesem Fall der Wirkungsgrad eines 40-Watt-Moduls bei halber Einstrahlung nicht bei den zu erwarteten 20 Watt, sondern bei etwa 22 Watt. Die Module wurden bei geringer Einstrahlung faktisch besser“, sagt Mohring.

Prinzipiell verhält sich die Dünnschichtzelle zu Licht und Leistung wie ein kleiner Trichter zu einer hineingekippten Flüssigkeit. Mehr Flüssigkeit steigert das Maximum des Ausflusses nicht, sondern lässt nur den Trichter überlaufen, während bei einem größeren, leistungsfähigeren Trichter die kleine Menge Flüssigkeit nur ein Tröpfeln hervorrufen würde.

Übersetzt in die physikalischen Eigenschaften eines frühen Cadmium-Tellurid-Moduls sah der Effekt ähnlich aus: Ein Leistungsmaximum, so Mohring, wurde früher bereits bei Lichteinstrahlungen von 500 Watt pro Quadratmeter erreicht. Die Ohm‘schen Verluste stiegen also bereits ab dieser geringen Strahlungsstärke und verringerten den Wirkungsgrad. Damals wirkte sich dieser Effekt für den Kunden positiv auf das Verhältnis des tatsächlichen Ertrags zu dem Wirkungsgrad aus, der bei 1.000 Watt pro Quadratmeter gemessen wird, weil in hiesigen Breitengraden die Intensität der Sonnenstrahlung eher selten maximal ist.

Neue Produktionsweisen der Module reduzieren nun aber die Ohm‘schen Verluste, mit der Folge, dass das Leistungsmaximum erst bei höheren Bestrahlungsstärken erreicht wird, dafür aber das Schwachlichtverhalten bei kleineren Einstrahlungen prozentual nicht mehr so gut ist. Statt 40 Watt sind jetzt bei Maximalbeleuchtung beispielsweise 70 Watt zu erzielen, aber bei halber Beleuchtungsstärke wäre es nicht einmal mehr die Hälfte, also keine 35 Watt.

Lichtsättigung beachten

Eine ihrer positiven Eigenschaften haben weiterentwickelte Dünnschichtzellen je- doch nicht verloren. Ähnlich wie ein Leistungssportler, dessen Kraft mit zunehmendem Training ständig wächst, nimmt auch die Kraft der Dünnschichtzellen unter Licht zu. Der Ertrag wächst bis zu einem bislang zeitlich noch nicht genau definierten Maximum. Genau wie ein Leistungssportler, der sein Training beendet, verliert auch ein Dünnschichtmodul an Leistung, sobald es nicht mehr dem Licht ausgesetzt ist. „Light Soak“ kann man getrost mit „Lichtsättigung“ übersetzen. Nur ein lichtgesättigtes Modul liefert die maximale Leistung.

Diese sich unter äußeren Bedingungen ständig verändernden Leistungsvarianten zu einem Qualitätsstandard zu definieren, dürfte bereits eine mathematische Herkulesaufgabe sein. Am ZSW entwickelt man zurzeit das dazu passende Leistungsmessgerät, bei dem der Lichtsättigungseffekt das Ergebnis möglichst wenig verfälscht. „Unmittelbar vor der Messung beleuchten wir mit schwächerer Beleuchtungsstärke. Dafür nutzen wir ganze Batterien von Leuchtstoffröhren, die mit ihrem natürlichen Tageslichtspektrum über das Modul geschoben werden“, erklärt Mohring. „Dann werden die Module noch auf etwa 60 Grad Betriebstemperatur gebracht“. Dann erst blitzt der Sonnensimulator für die eigentliche Wirkungsgradmessung. Aus verschiedenen, kurz hintereinander laufenden Messungen ergibt sich dann der entscheidende Mittelwert.

Standardverfahren ungeeignet

Die Messungen sind so hochauflösend, dass sogar am Anfang und am Ende eines Lichtpulses unterschiedliche elektrische Werte gemessen werden können. „Es gibt nämlich auch einen Kurzzeiteffekt“, sagt Mohring, „dabei ‚verbessert‘ sich die Leistung eines Moduls bereits messbar innerhalb der Blitzdauer von nur 30 Millisekunden“. Diese in konstanter Zeit und Intensität messbaren Veränderungen des von der Wissenschaft noch immer nicht ganz verstandenen physikalischen Verhaltens der Dünnschichtzellen seien wichtige Messkriterien, sagt Mohring. Sonnensimulatoren, die für mono- oder polykristalline Standardzellen eingesetzt werden, seien mit ihrer extrem kurzen Blitzdauer von zehn Millisekunden für Messungen an Dünnschichtzellen weniger geeignet.

Wichtig für eine Ertragsprognose ist neben den konstanten Werten Lichtintensität und Temperatur auch der Alterungsfaktor. Da ein Test nicht 20 und mehr Jahre dauern darf, bietet das ZSW den Modulen eine Art Zeitmaschine, eine bis um das Zehnfache beschleunigte künstliche Alterung.

Was man im Labor durch schnelle Temperatur- und Klimawechsel, beispielsweise zwischen etwa plus 80 und bis zu minus 40 Grad Celsius erreicht, funktioniert in einem etwas geringeren Umfang auch im Freiland. Licht und Launen der Natur liefern am ZSW aber ergänzende Werte, die die relativ klinischen Labormesswerte zu einem für die tägliche Praxis tauglichen Ergebnis relativieren. „Wir montieren an den Seiten des Moduls Spiegel und führen das Modul der Sonne nach, so dass das Modul mit einer höheren Strahlungsleistung konfrontiert wird“, sagt Mohring. So lässt sich die Strahlungsintensität im Freien mindestens um den Faktor drei steigern. Das hat eine stärkere Erwärmung des Moduls zur Folge und damit auch höhere Temperaturzyklen zwischen Tag und Nacht. Dabei verursachen nicht nur die durch die Beleuchtung ausgelösten chemische Prozesse innerhalb der Module eine Alterung, sondern auch rein physikalische und mechanische Dinge. „Beispielsweise ist die Kontaktierung einer sich ständig ändernden Wärmeausdehnung ausgesetzt und damit ebenfalls dem Verschleiß unterworfen.“

Aus diesen miteinander verknüpften Experimenten, mit ihren festen Faktoren Lichtintensität, Zeit und Temperatur sowie der beschleunigten Alterung in Labor und Freifeld, versuchen die ZSW-Wissenschaftler, eine verlässliche Datenbasis zu schaffen, die zur Berechnung einer möglichst realistischen Lebensdauer und Wirtschaftlichkeit auch künftiger Module herangezogen werden kann.

In den nächsten Jahren erwarten die Wissenschaftler dabei speziell bei Dünnschichtmodulen noch eine rasante Leistungssteigerung. Dann sollen der Industrie Verfahren für eine robuste und zuverlässige Qualitätskontrolle am Ende der normalen Produktionskette zur Verfügung stehen.