Prüfung von Solarzellen

Enorme Stückzahlen, lange Lebenserwartung und nur wenig bis überhaupt keine Prüfrichtlinien. Dies ist das aktuelle Umfeld in der Photovoltaik. Um dennoch auf dem hart umkämpften Markt zu bestehen und die zugesagten Leistungsdaten und Lebensdauer zu niedrigsten Preisen zu erreichen, ist es unerlässlich, sein Produkt zu überprüfen. Der enorme Preisverfall in den letzten Jahren kann nur durch bessere Qualität, kostengünstige Produktion und höhere Sicherheit überstanden werden.

Herausforderungen

Eine Solarzelle ist tagtäglich extremen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Regen, Hagel, Sturm, aber auch große Temperaturschwankungen dürfen die Funktionsfähigkeit nicht beeinträchtigen. Schneelast, Eis und auch Montagearbeiten müssen schadensfrei überstanden werden und dies bei einer gewünschten Lebenserwartung von bis zu 40 Jahren. Das sind hohe Anforderungen, sowohl an elektrische als auch mechanische Eigenschaften. Aber gerade für die mechanischen Anforderungen an die Bauteile fehlen Prüfnormen. Abgesehen von internen einzelvertraglichen Richtlinien zwischen Lieferanten und Hersteller, existiert keine standardisierte Qualitätssicherung für Solarzellen. Diese fehlenden Standards und individuelle Kundenanforderungen bedürfen maßgeschneiderte Prüfeinrichtungen und -aufgaben. Hier sind Experten aus der Materialprüfung gefragt.

Prüfmethoden / Normen allgemein

DIN ISO 614

Schiffbau und Meerestechnik; Scheiben aus Einscheibensicherheitsglas für rechteckige und runde Schiffsfenster; Stempeldruckversuch zur zerstörungsfreien Prüfung der Festigkeit (ISO 614:1989-09)

DIN EN 1288-5

Glas im Bauwesen - Bestimmung der Biegefestigkeit von Glas - Teil 5: Doppelring - Biegeversuch an plattenförmigen Proben mit kleinen Prüfflächen (ISO/DIS 1288-5:2007); Deutsche Fassung prEN ISO 1288-5

DIN EN 1465

Klebstoffe - Bestimmung der Zugscherfestigkeit von Überlappungsklebung (ISO 4587:1979, modifiziert); Deutsche Fassung prEN 1465:2008

DIN EN 1464

Klebstoffe - Bestimmung des Schälwiderstandes von hochfesten Klebungen - Rollenschälversuch (ISO 4578:1990, modifiziert); Deutsche Fassung EN 1464:1994 (DIN EN 1464:1995-01) Ersatz für: DIN 53289:1979-09

DIN EN 1288-3

Glas im Bauwesen - Bestimmung der Biegefestigkeit an Glas - Teil 3: Prüfung von Proben mit zweiseitiger Auflagerung (Vierschneiden-Verfahren), (ISO/DIS 1288-3:2007); Deutsche Fassung prEN ISO 1288-2:2007

zwickiLine mit Biegevorrichtung für Wafer-Prüfung

IEC 61215 bzw. EN 61215

Die IEC 61215 bzw. EN 61215 beschreibt auf der Grundlage möglicher Alterungseinflüsse die verschiedensten Qualifikationstests zur künstlichen Beanspruchung der Materialien von PV-Modulen. Im Einzelnen werden die folgenden Beanspruchungsgruppen unterschieden:

Sonnenlicht inkl. UV
Klima (Kälte, Wärme, Feuchte, Klimawechsel)
Mechanische Belastung (Hagel, Windsog, -druck, Schnee)

Die Prüfungen gelten als bestanden, wenn nach den Qualifikationstests keine wesentlichen visuellen Schäden erkennbar sind und die Leistungsabgabe sowie die Isolationseigenschaften sich nicht oder nur unwesentlich gegenüber dem Eingangszustand verändert haben. Das Prüfzertifikat entsprechend der IEC 61215 hat sich in den vergangenen Jahren als Qualitätszeichen für kristalline PV-Module durchgesetzt. Inzwischen wird ein solches Zertifikat von den meisten Bewilligungsstellen für nationale und internationale Fördermaßnahmen gefordert.

IEC/EN 61215 und IEC/EN 61646

IEC bzw. EN 61215 für Dickschicht- und IEC bzw. EN 61646 für Dünnschicht-Module (Terrestrische Photovoltaik-Module mit kristallinen Solarzellen-Bauarteignung und Bauartzulassung)

Die Prüfung nach IEC 61215 ist sehr streng, denn die Solarmodule des Unternehmens müssen in fast allen geografischen Breiten und unter den meisten Umweltbedingungen überall auf der Welt im Freien bis zu 25 Jahre standhalten. Soweit während des Vorgangs keine Fehler auftreten, dauert die IEC-Prüfung insgesamt über 5 Monate. Um diese strenge Norm erfüllen zu können, muss ein Testsatz von Modulen ein Umwelttestprotokoll bestehen, bei dem UV-Strahlung, extreme Temperaturen, u. a. ein verlängertes Aussetzen hoher Temperaturen und Feuchtigkeit, mechanische Belastungen und Verwindungen eingesetzt werden und die Beständigkeit gegen Hagel und Steineinschlag geprüft wird. Parallel zu den Umwelttests werden die Module insgesamt auf ihre elektrische Leistungsfähigkeit, Isolierung und auf eventuell vorhandene "kritische" Stellen hin untersucht.

DIN EN 1288-2, Oktober 2007

Glas im Bauwesen - Bestimmung der Biegefestigkeit von Glas - Teil 2: Doppelring - Biegeversuch an plattenförmigen Proben mit großen Prüfflächen (ISO/DIS 1288-3:2007); Deutsche Fassung prEN ISO 1288-2:2007

Stempeldruckversuch an Sicherheitsglas nach DIN ISO 614 Form A und B

IEC 61646 bzw. EN 61646

Die IEC 61646 bzw. EN 61646 beschreibt auf der Grundlage möglicher Alterungseinflüsse die verschiedensten Qualifikationstests zur künstlichen Beanspruchung der Materialien von Dünnschicht-Modulen. Im Einzelnen werden die folgenden Beanspruchungsgruppen unterschieden:

Sonnenlicht inkl. UV
Klima (Kälte, Wärme, Feuchte, Klimawechsel)
Mechanische Belastung (Hagel, Windsog, -druck, Schnee)

Die Prüfungen gelten als bestanden, wenn nach den Qualifikationstests keine wesentlichen visuellen Schäden erkennbar sind und die Leistungsabgabe sowie die Isolationseigenschaften sich nicht oder nur unwesentlich gegenüber dem Eingangszustand verändert haben. Das Prüfzertifikat entsprechend der IEC 61646 hat sich in den vergangenen Jahren als Qualitätszeichen für kristalline PV-Module durchgesetzt. Inzwischen wird ein solches Zertifikat von den meisten Bewilligungsstellen für nationale und internationale Fördermaßnahmen gefordert.

Beispiele für Prüflösungen

Um einen Eindruck über den Einsatz von zerstörenden Materialprüfungen in der Solarzellen- und Modulherstellung zu gewinnen, sind hier am Beispiel von Produktionskontrollen in den einzelnen Produktionsschritten von Dickschichtzellen Prüfungsanwendungen vorgestellt.

Solarzellen oder photovoltaische Zellen sind elektrische Bauelemente, die die im Licht enthaltene Strahlungsenergie direkt in elektrische Energie umwandeln.
Die wichtigsten Bauarten:

Dickschicht Solarzellen bestehen aus monokristallinem oder polykristallinem Silizium. Sie sind in Mitteleuropa weit verbreitet, da Sie sich durch ihren hohen Wirkungsgrad (über 20 %) auszeichnen. Zudem zeichnen sie sich durch einen hohen Flächenwirkungsgrad aus. So wird beispielsweise für 1 Kwp ca. 8 qm Dachfläche benötigt. Der Material- und Energieeinsatz bei der Herstellung dieser Module ist relativ hoch, eine konsequente Qualitätssicherung daher unverzichtbar.
Dünnschicht Solarzellen gibt es in verschiedenen Variationen, je nach Substrat und aufgedampften Materialien: amorphem oder mikrokristallinem Silizium (a-Si, μ-Si), Gallium-Arsenid (GaAs), Cadmium-Tellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-(Gallium)- Schwefel-Selen-Verbindungen(CIGS). Dünnschichtzellen unterscheiden sich von den auf kristallinen auf Silizium-Wafern basierenden Solarzellen vor allem in ihren Produktionsverfahren und durch die Schichtdicken der eingesetzten Materialien.
Organische Solarzellen (aus Kunststoffen mit Halbleiter-Eigenschaften)

Aufgrund der unterschiedlichen Technologien und somit des teilweise grundsätzlich anderen Aufbaues der Solarzellentypen, stellen sich je nach Solarzellentechnologie unterschiedliche Prüfaufgaben.

Schälversuch an Tedlar-Films

Kunststoffschichten aus EVA (Ethylenvinylacetat) oder Gießharz werden beidseitig laminiert und bilden einen wasserdichten Korrosionsschutz. Ein Tedlar®-Film oder eine Glasplatte auf der Rückseite schützt das Modul zusätzlich. Mit dem 90°-Schälversuch wird die Festigkeit dieser Verbindungen geprüft. Hierbei wird der Tedlar®-Film in einen Schraub-Probenhalter eingespannt und von der Glasplatte angezogen. Für diese Prüfung eignet sich wiederum eine einsäulige Prüfmaschine, da hier problemlos unterschiedlich große Glasplatten geprüft werden können. Diese Prüfung wird zum einen prozessbegleitend zur Überprüfung der Einstellung der Maschinenparameter durchgeführt. Zum anderen findet diese Prüfung sowohl Anwendung in der Wareneingangskontrolle als auch im Rahmen einer Requalifizierungsprüfung nach Ablauf der Mindesthaltbarkeiten. Um den Standards zu genügen, muss der Tedlar®-Film Abzugskräften bis 250 N standhalten.

Abzugversuch zwischen Anschlussdose und Anschlusskabel

Für das fertige Modul sind verschiedene Sicherheitsprüfungen ratsam, wie Festigkeitsprüfung der Rahmenstruktur, Ermittlung der Einpress- und Auszugskräfte der Eckenverbinder, Auszugsversuche der elektrischen Anschlüsse sowie Zug-, Druck- und Biegeversuche an Montagesystemen zur Modulbefestigung. Kabelausreißversuche an der Anschlussbox können mit Hilfe einer zweisäuligen Prüfmaschine der Baureihe AllroundLine durchgeführt werden. Die Anschlussbox wird durch einen speziellen Probenhalter gehalten. Das Verbindungskabel wird durch einen Schraub-Probenhalter gehalten und mit Kräften bis zu 5 kN aus der Box herausgezogen.

Stempeldruckversuch an Sicherheitsglas nach DIN ISO 614 Form A und B

Beim Stempeldruckversuch wird eine 25 x 25 mm große Glasplatte auf eine Doppelring-Biegevorrichtung (bestehend aus Stütz- und Lastring sowie Anschlagstiften zur Fixierung der Probe) aufgelegt. Ein Prüfstempel belastet die Probe anschließend bis zum Bruch. Der Metallbehälter verhindert das Eindringen von Glassplittern in den Maschinen-Antrieb. Diese Prüfung wird standardmäßig mit einer zweisäuligen Prüfmaschine mit Fmax 50 kN durchgeführt.

ProLine mit 4-Punkt-Biegeprüfung an Bauglas nach EN 1288-3

Zur Sicherheitsprüfung der verwendeten Glasplatte kann sowohl ein statischer Stempeldruckversuch gemäß EN 1288-5 durchgeführt werden als auch ein 4-Punkt-Biegeversuch nach EN 1288-3.
Für beide Versuche wird eine AllroundLine Prüfmaschine von ZwickRoell verwendet. Bei beiden Versuchen müssen Sicherheitsvorrichtungen integriert sein, die Schäden durch unkontrolliert wegspringende Glassplitter verhindern.
Dieses Prüfsystem wurde speziell für die Bestimmung der Biegefestigkeit von Flachglas im Bauwesen nach EN 1288-3 zusammengestellt und erfüllt alle Anforderungen der Norm. Alle Auflager- und Biegerollen sind frei drehbar und haben die geforderten Maße und Abstände.

4-Punkt-Biegevorrichtung für die Prüfung von Wafer

4-Punkt-Biegevorrichtung für die Prüfung von Wafer / Einzelchips oder ähnlichen Bauteilen.
Sie beinhaltet 2 Biegebalken mit jeweils 2 verstellbaren Druckstempeln und ist verwendbar mit einem Kraftaufnehmer Fmax 10 N.