Fraunhofer ISE integriert Spannungs- und Temperatursensoren in kristalline Solarzelle

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Ein Forscherteam des deutschen Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE entwickelt Wege zur Integration von Spannungs- und Temperatursensoren in kristalline Solarzellen, um eine direkte und kontinuierliche Messung in herkömmlichen Solarmodulen zu erreichen. Die Freiburger Wissenschaftler erklärten, dass die getesteten Sensoren nur einen minimalen Teil der Zelle abdecken und dass ihre Interaktion mit dem Modul und der Zelle selbst recht begrenzt ist. Die Sensoren könnten durch einen regulären Herstellungsprozess für Solarzellen integriert werden. Sie könnten sowohl auf der Vorder- als auch auf der Rückseite der Zellen angebracht werden.

„Außerdem könnten bestehende Solarzellen-Produktionslinien für die Sensor-Implementierung modifiziert werden“, schrieben sie in ihrer Veröffentlichung „Silicon solar cell-integrated stress and temperature sensors for photovoltaic modules“, die in der Fachzeitschrift „Progress in Photovoltaics“ erschienen ist.

Der Spannungssensor sei piezoresistiv, schreiben die Wissenschaftler weiter. Dies bedeutet, dass er in der Lage ist, auf extern induzierten mechanischen Stress durch Änderungen seines elektrischen Widerstands zu reagieren. Der Sensor sei auf der schwimmenden Zone des Solarzellen-Wafers, der aus monokristallinem p-type Silizium hergestellt wird, angebracht worden. „Der Spannungssensor ist als rechteckiger piezoresistiver Widerstand mit hoher lokaler n-Dotierung durch Ionenimplantation und anschließender Silbermetallisierung realisiert“, so die Forscher.

Der Sensor wurde unter Verwendung eines herkömmlichen Modulaufbaus mit einer 14,7×10,5 Quadratzentimeter großen und 1 Millimeter dünnen Glas-, Ethylvinylacetat- (EVA-) Folie und einer Tedlar-Polyester-Tedlar- (TPT-) Rückseitenfolie laminiert. Der Prozess zum Einbetten des Temperatursensors folgte dem gleichen Verfahren für die Metallisierung, das auch für den Spannungssensor verwendet wurde. Die Forscher definierten das Verfahren als gängige Praxis für die Kontaktbildung von hocheffizienten Solarzellen.

Die Integration der Sensoren sei mit sechs verschiedenen Designs getestet worden. „Alle Designs lösen die Spannung in den Testproben auf und haben Empfindlichkeiten im Bereich zwischen -45 und -65 Prozent/Gradpunktmittelwert (GPA)“, so die Wissenschaftler. „Die Modulintegration dieses Designs zeigt, dass die Sensoren in der Lage sind, die Spannung in laminierten Solarzellen zu messen.“

Die laminierten Sensoren zeigten eine gute Stabilität in 145 Temperaturzyklen von -35°C bis +85 Grad Celsius, schreibt das Forschungsteam. Sie fügten hinzu, dass die Sensoren zunächst nur zu Forschungs- und Entwicklungszwecken eingesetzt werden und dass der Weg zur Kommerzialisierung weitere Forschung erfordert.