Wo das menschliche Auge an seine Grenzen stößt, vertrauen Hersteller auf optische Messverfahren. So entgeht ihnen nichts, kein Fehler, keine Unregelmäßigkeit, keine Abweichung von der Norm. Wesentlicher Bestandteil solcher Messverfahren sind spezielle Objektive, z.B. die Industrie-Objektive von Carl Zeiss, die je nach Anwendung unterschiedliche Anforderungen erfüllen müssen. Für Messungen während der laufenden Produktion z.B. müssen die Objektive so robust gebaut sein, dass sie Schmutz, Vibrationen, Temperatur- und Druckschwankungen aushalten. Wollen Hersteller komplexe geometrische Formen optisch exakt messen, benötigen sie sogenannte telezentrische Objektive, die verzeichnungsfreie Aufnahmen machen. Andere Anwendungen erfordern Objektive, die ein größeres Lichtspektrum abbilden können, z.B. bis hinein in den Infrarotbereich. Diese Eigenschaft ist es, die die Qualitätssicherung von Solarpanels erst möglich macht. Infrarotlicht offenbart Fehlerquellen In dem Maße wie die Nutzung von Solarenergie zunimmt, wächst auch die Bedeutung einer effizienten und fehlerfreien Solarpanelproduktion. Forscher und Entwickler wissen bisher noch wenig über die Funktionsweise und mögliche Fehlerquellen der Zellen. Der Grund dafür: Eine Qualitätskontrolle war bis vor kurzem nicht möglich. PCO, einer der führenden Hersteller digitaler Kamerasysteme für den Einsatz in Forschung und Entwicklung, hat deshalb spezielle Kameras für die Messung von Solarpanels entwickelt. Sie verfügen über einen Bildsensor, der Licht im infraroten Bereich abbilden kann. Die Bildsensoren herkömmlicher Digitalkameras können das nicht, ebenso wenig wie das menschliche Auge. Für die optische Messung von Solarpanels sind diese Sensoren jedoch unerlässlich, denn die Visualisierung möglicher Defekte der Zellen erfolgt über Infrarotaufnahmen. So funktioniert das Verfahren: Zunächst wird Strom auf das Panel geschickt. Es absorbiert die Energie und gerät dadurch selbst in einen angeregten Zustand. Bestrebt, so schnell wie möglich wieder in seinen Grundzustand zurückzukehren, wandelt das Material einen Teil der Energie in Wärme um und gibt den Rest wieder ab. Die abgestrahlte Energie ist deshalb geringer als die aufgenommene: Solarzellen nehmen das kurzwellige Licht auf und geben das langwellige wieder ab. Die abgestrahlte Energie liegt mit einer Wellenlänge von 1.000 bis 1.300nm im Infrarotbereich. Sie wird Lumineszenz genannt. Dieses Licht ist relativ energiearm. Einen herkömmlichen Bildsensor durchdringt es, ohne eine Signal zu erzeugen. Ein hochsensibler Bildsensor hingegen nimmt es wahr. Unterschiedliche Fehlerquellen bei Solarpanels aufdecken Die möglichen Fehlerquellen bei Solarpanels sind zahlreich. Mit den Lumineszenz-Aufnahmen gehen Hersteller einen ersten Schritt in Richtung Qualitätssicherung und erkennen frühzeitig, ob ein Solarpanel die geforderte Leistung erbringt. Dunkle Verfärbungen auf den Bildern deuten z.B. auf Mikrorisse hin. Diese können beim Brennen der bedruckten Elektroden entstehen, die im Ofen gefestigt werden. Auch andere ungewöhnliche Muster auf der Oberfläche können beim Erhitzen entstehen. Oft sind solche Strukturen und Spannungsrisse hinderlich für die Stromerzeugung, führen im Extremfall sogar zum Totalausfall des Panels. Weitere kritische Faktoren, die die Lumineszenz ans Licht bringt, sind die Antireflexbeschichtung und die Isolation der Ränder. Möglichst wenig Sonnenlicht sollte beim Betrieb der Solarzelle an ihrer Oberfläche reflektieren, da nur das Licht Strom erzeugt, das tatsächlich in die Zelle dringt. Dafür sorgt die Antireflexbeschichtung. Innerhalb eines Panels sind mehrere Zellen eng miteinander verknüpft. Berühren dürfen sie sich jedoch nicht – das könnte ansonsten einen Kurzschluss verursachen. Die erste Initiative für den Einsatz von sensitiven Kameras zur Messung von Solarpanels kam vor vier Jahren aus der Forschung. \“Ehrlich gesagt hätte ich bis dahin nie gedacht, dass unsere Kameras Wellenlängen von 1.000, 1.025, inzwischen sogar 1.050nm wahrnehmen können\“, gesteht Dr. Gerhard Holst, Forschungsabteilungsleiter bei PCO. Der Trick: PCO hat bestimmte Spannungen, die für den Betrieb der Bildsensoren erforderlich sind, verändert. Dadurch haben die Entwickler zwar einen Leistungsparameter verschlechtert, um die Verbesserung der NIR-Empfindlichkeit zu erreichen. Das beeinflusst die Messung der Solarpanels jedoch nicht negativ. Auf jeden Fall reagieren die Bild-Sensoren deutlich empfindlicher auf infrarotes Licht. Zahlreiche Forschungsinstitute nutzen heute die Kameras von PCO, um anhand der Lumineszenz-Bilder mehr über Solarzellen zu erfahren und ihre Funktionsweise besser zu verstehen. So auch das Fraunhofer-Institut für Solare Energiesysteme ISE und das Institut für Solarenergieforschung Hameln. Die Forscher wollen dadurch die Qualität der Zellen verbessern, sie leistungsfähiger machen – damit wir irgendwann das Potenzial der Sonnenenergie für die Stromerzeugung voll ausschöpfen können. Auch bei der Qualitätsprüfung von Solarzellen wie z.B. beim TÜV Rheinland – Energie und Umwelt GmbH sind die Kameras von PCO inzwischen im Einsatz. Kein Bild ohne das richtige Objektiv
Carl Zeiss AG
