Umgebaute handelsübliche Kamera misst Leerlaufspannung von Solarzellen

Forscher der Universität Stuttgart, des Forschungszentrums Jülich und des Unternehmens Solarzentrum Stuttgart haben eine kostengünstige Digitalkamera für Endverbraucher so umgerüstet, dass sie die von elektrisch vorgespannten Silizium-Solarmodulen emittierte Infrarotstrahlung erfassen und deren externe Quanteneffizienz (EQE) messen kann.

Bei Photovoltaik-Bauelementen beschreibt die EQE, wie effizient Elektronen, die eine Solarzelle durchlaufen, während der Elektrolumineszenz in emittierte Photonen umgewandelt werden. Anhand dieses Parameters lässt sich die Strahlungsqualität einer Solarzelle bewerten und ihre Leerlaufspannung bestimmen.

„Unser Ansatz zeigt, dass selbst eine relativ kostengünstige Consumer-Kamera quantitative Ergebnisse liefern kann, wenn ihr physikalisches Ansprechverhalten richtig modelliert und kalibriert wird“, sagt der leitende Forscher Jürgen Werner. „Ein Elektrolumineszenzbild enthält weitaus mehr quantitative Informationen als nur die Darstellung heller und dunkler Bereiche. Mit einem geeigneten physikalischen Kameramodell und einer entsprechenden Kalibrierung kann es die absolute Lumineszenz-Quantenausbeute liefern und somit Aufschluss über die lokale Qualität einer Solarzelle oder eines Solarmoduls geben.“

Infrarot-Sperrfilter entfernt

Die Wissenschaftler haben herkömmliche CMOS-Sensoren (Complementary Metal-Oxide-Semiconductor) für Digitalkameras auf Siliziumbasis eingesetzt, die sowohl sichtbares Licht als auch Strahlung im nahen Infrarotbereich erfassen können – einschließlich eines Teils des Spektralbereichs, der mit der Elektrolumineszenz (EL) von Silizium-Photovoltaik-Zellen in Verbindung steht.

Herkömmliche Kameras verfügen jedoch in der Regel über einen Infrarot-Sperrfilter, der Strahlung im nahen Infrarotbereich unterdrückt. Dieser Filter dämpft die schwache EL-Emission von Silizium-Solarzellen stark ab, was den Einsatz von unmodifizierten Geräten für die EL-Bildgebung und die quantitative Charakterisierung von Solarzellen einschränkt.

Die Forscher haben beim Modell Canon EOS 4000D den Infrarot-Sperrfilter entfernt, um die Empfindlichkeit der Kamera gegenüber Infrarotstrahlung zu erhöhen. Zudem setzten sie einen Heliopan ES RG850-Langpassfilter ein, um zu verhindern, dass kürzerwellige sichtbare Hintergrundstrahlung den Sensor erreicht.

Die Kamera, die ursprünglich für die Bildgebung im sichtbaren Licht zwischen etwa 400 Nanometer und 800 Nanometer konzipiert wurde, verwendet einen Silizium-CMOS-Detektor. Ihre Bayer-Filter sind im Bereich um 1.120 Nanometer ausreichend transparent, um das von Silizium-Solarzellen emittierte Lumineszenzsignal zu erfassen.

Forscher entwickeln Kalibrierungsmodell

Neben der Modifizierung der Kamerahardware entwickelten die Forscher ein Kalibrierungsmodell, das die aufgezeichnete Bildhelligkeit mit der absoluten Lumineszenzemission der Solarzelle in Beziehung setzt. Das Modell berücksichtigt sowohl den linearen als auch den nichtlinearen Ansprechbereich der Kamera und ermöglicht den Forschern, die gemessene Helligkeit in die absolute elektrolumineszente EQE umzurechnen.

Das Team testete die Kamera bei EL-Messungen, die im Dunkeln durchgeführt wurden, um die Hintergrundstrahlung zu minimieren. Durch die Kalibrierung wurde ein Umrechnungsfaktor zwischen der gemessenen Helligkeitsantwort und der absoluten externen EQE ermittelt. Dafür war eine Referenzzelle oder ein Referenzmodul mit bekannter Elektrolumineszenz-EQE und bekannter Leerlaufspannung erforderlich.

Aufschluss über die lokale Qualität einer Solarzelle

Nach Angaben des Forscherteams zeigten die Experimente einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der gemessenen Lumineszenzreaktion, der EQE und der Leerlaufspannung. Bei Raumtemperatur entsprach eine Verzehnfachung der lumineszenzbezogenen Reaktion einem Anstieg der Leerlaufspannung um etwa 60 Millivolt. Bei den Modulen mit höherem Wirkungsgrad stimmten die Ergebnisse aus dem linearen und dem Sättigungsbereich der Kamera Berichten zufolge gut überein. Bei älteren Modulen mit geringerer Effizienz beobachtete Abweichungen haben die Forscher in erster Linie auf Unterschiede bei der Lichteinfangrate und der Photonenentweichungswahrscheinlichkeit zurückgeführt.

„Ein Elektrolumineszenzbild enthält weitaus mehr quantitative Informationen, als nur helle und dunkle Bereiche darzustellen“, sagt Werner. „Mit einem geeigneten physikalischen Kameramodell und einer entsprechenden Kalibrierung kann es die absolute Lumineszenz-Quantenausbeute liefern und somit Aufschluss über die lokale Qualität einer Solarzelle oder eines Moduls geben.“

Die Forscher haben die Kamera und das Kalibrierungsverfahren in ihrem Artikel „New camera model for absolute quantum efficiency measurements from electroluminescence of solar cells or modules“ vorgestellt, der im Journal of Applied Physics veröffentlicht wurde.

„Unser nächster Schritt besteht darin, mit der kalibrierten Kamera die Quanteneffizienzen und Leerlaufspannungen weiterer, bisher nicht charakterisierter Solarzellen und -module zu bestimmen“, fügt Werner hinzu. „Das gleiche Modell sollte auch auf Photolumineszenzmessungen und möglicherweise auf Messungen bei Tageslicht anwendbar sein.“