Dynamische EL – „Erleuchtung“ für PV-Anlagenbesitzer

Funktionierende Solarmodule sind entscheidend für einen reibungslosen Betrieb und den Ertrag von Solaranlagen. Doch obwohl eine PV-Anlage optisch in einem einwandfreien Zustand zu sein scheint, können sich auf Zellebene der Module Defekte befinden, die den Ertrag erheblich einschränken. Eine dynamische EL (dynamische Elektrolumineszenz) macht verschiedene Arten von Defekten in der PV Anlage schnell und flexibel sichtbar. Auf Basis dieser Untersuchungsmethode können zielgerichtete Maßnahmen zur weiteren Analyse oder Wiederherstellung des optimalen Betriebs eingeleitet werden.

Ende 2013 fegte der Sturm „Xaver“ über die Nord- und Ostseeküste. Windspitzen von bis zu 140 km/h legten nicht nur Bäume um, sondern lösten auch Solarmodule von den Dächern. An einer untersuchten Photovoltaik-Dachanlage lösten sich zwar nur 3 von 500 Modulen. Eine „dynamische EL“ zeigte jedoch, dass Xaver Schäden über einen großen Teil der Anlagenfläche verursacht hatte. 42% der Module waren geschädigt, ein Viertel konnte eindeutig „Xaver“ zugordnet werden. Die durch die dynamische EL als defekt oder fehlerhaft diagnostizierten PV-Module konnten nun zielgerichtet demontiert und tiefer geprüft werden.

Was ist die dynamische EL und wie funktioniert sie?

Eine dynamische EL bringt Solarmodule zum Leuchten. Durch das Anlegen einer Spannung lumineszieren die Module und machen ihren Zustand sichtbar.

„Dynamik“ hat zwei Ausprägungen. Als Erstes Geschwindigkeit: Es können bis zu 500 Module in einer Nacht untersucht werden. Das Ergebnis ist ein sehr gut auswertbares und verständliches Bildmaterial.

Als Zweites Flexibilität: Die dynamische EL wird im verbauten Zustand durchgeführt und kann einfach mit weiteren Messverfahren und der Auswertung von Monitoringdaten kombiniert werden. Sie verschafft einen detaillierten Überblick über den Allgemeinzustand. Dort wo es sinnvoll ist, kann man tiefer prüfen und die Aussagen zielgerichtet anwenden. So werden Zeit und Kosten gespart.

Dynamische EL im Detail

Bei dem Prinzip der Elektrolumineszenz wird der Photoeffekt einer Solarzelle umgekehrt. Es wird eine DC-Spannungsquelle an das Solarmodul angeschlossen, die das Modul bestromt. Das Zellmaterial setzt Photonen frei. Das dabei abgestrahlte Licht liegt im nahen Infrarotbereich und kann über Spezialkameras aufgenommen werden.

Diese Elektrolumineszenz-Aufnahme kann als Röntgenbild eines Solarmoduls verstanden werden. Das Verfahren eignet sich für kristalline Module und für Dünnschichtmodule (CIGS, CIS, CdTe).

Dieses Messverfahren gibt Aufschlüsse über nicht sichtbare Schäden an PV-Modulen auf der Zellebene. Durch das „Röntgenbild“ können Zelldefekte wie Risse oder stärkere Strukturveränderung in der Zellschicht festgestellt werden. „Microcracks“, die sich bei kristallinen Modulen finden, werden aufgedeckt. Bei Dünnschichtmodulen lassen sich lokale Kurzschlüsse (Shunts) sehr gut sichtbar machen. Des Weiteren können inaktive Bereiche des Zellmaterials aufgezeigt werden. Bei Dünnschichtmodulen findet sich die Potential-Induzierter-Degradation (PID), die sich als dunklere Zellbereiche im Vergleich darstellen lassen.

Vergleich Mikroriss vs. Zellbruch

Als Risse bezeichnet man die Beschädigungen dann, wenn noch eine homogene Ausleuchtung der Zelle gegeben ist. Die Zelle ist weiterhin vollflächig kontaktiert. Sind die Ausleuchtungen hingegen von unterschiedlicher Intensität, haben wir es mit Brüchen zu tun. Ein Ertragsausfall ist vorprogrammiert. Aufgrund von klimatischen Wechseln (Sommer/ Winter) und weiteren mechanischen Beanspruchungen werden aus den anfänglichen Rissen nach und nach Brüche. Der elektrische Kontakt zu den einzelnen Bruchstücken geht verloren, es entstehen inaktive Bereiche.

Schneckenspuren sind meist Brüche durch die chemischen Materialien, die aus der Tedlar-Folie von der Rückseite des Modules durch die EVA nach vorne zum Glas durchschlagen. Spätestens hier ist auch mit bloßen Augen zu erkennen, dass es Beschädigungen im Zellmaterial vorhanden sind.

Dynamische EL in der Praxis – vielseitige Einsatzzwecke

Potential-Induzierte-Degradation – PID

Sie beklagen einen Leistungsverlust Ihrer Solaranlage und haben keine Erklärung dafür? Der Grund kann in der Potential-Induzierten-Degradation liegen. PID ist nicht sichtbar und macht sich durch zunehmenden Leistungsverlust in Ihrer PV-Anlage bemerkbar. Sind Module dauerhaft einer hohen negativen Spannung ausgesetzt, können sie unter bestimmten Voraussetzungen einen deutlich spürbaren Leistungsverlust erfahren.

Wo PID entsteht, werden oft transformatorlose Wechselrichter eingesetzt. Eine Minuspolerdung des Modulstrings ist auf Grund der Wechselrichter-Topologie häufig nicht möglich. In einigen Fällen war eine Erdung bei Auslieferung der Module auch nicht vom Modulhersteller vorgesehen, so dass dieses Fehlerbild zumeist erst dann erkannt wird, wenn der Ertrag zurückgegangen ist. Treffen PID-Anfälligkeit und fehlende Minuspolerdung aufeinander, führt das zu Fehlerströmen und einer nicht selten irreversiblen Veränderung der Zellstruktur, die jährlich steigende Leistungseinbußen nach sich ziehen können. PID wird unter anderem durch dunkle / schwarze Bereiche im EL-Bild erkannt und zeichnet sich deutlich von hellen und „normal“ lumineszierende Modulen ab. Je nach Modultyp und Zelltechnologie ist es möglich, eine Reaktivierung und Aufhebung des Effekts zu erwirken.

Abbildung: PID bei Dünnschichtmodulen im Randbereich (links) und bei kristallinen Modulen (rechts) – Quelle: Potential Induzierte Degradation, Markus Schweiger, Bad Staffelstein)

Hagel- und Sturmschäden

Abbildung stark beschädigte Zelle durch Hagelkorn = Zellbrüche

Es gibt eine Vielzahl von Schäden an einer PV-Anlage, deren leistungsbeeinträchtigende Wirkung sich erst im Nachhinein zeigen. Diese Schäden lassen sich auf Zelldefekte wie Mikrorisse und Zellbrüche zurückführen. Sie entstehen etwa durch Hagelschäden, bei denen das Frontglas zwar nicht zerspringt, es aber dennoch zu Mikrorissen kommt, die sich später zu Zellbrüchen (mehrere Mikrorisse in der Zelle, die Bereiche von den Busbars abtrennen) entwickeln können. Nicht selten werden lediglich die offensichtlich defekten Module ausgetauscht. Langfristige Ertragsverluste und eine rapide ansteigende Degradation in den Folgejahren macht jedoch erst später das gesamte Schadensausmaß sichtbar.

Neben den klassischen Hagelschäden kann auch Sturm zu Mikrorissen / Zellbrüchen führen, ohne dass dieser Schaden am PV-Modul von außen sichtbar ist. Sich lösende Dachteile oder die durch starke Windböen entstehende massiven Schwingungen und Modulbewegungen, führen zu erheblichen mechanischen Belastungen an den Modulen und somit im Zellmaterial. Es ist vorgekommen, dass Zellen samt Glas aus dem Rahmen gedrückt und meterweit vom Anlagenstandort vorgefunden wurden. Solche Schäden sind eindeutig und benötigen keine weitere Analyse. Aber was tun, wenn nur einzelne Module Defekte wie Glassprung oder Kratzer in der Glasoberfläche haben? Durch die Analyse mit der dynamischen EL lassen sich alle vom Sturm beschädigten Module identifizieren.

Im Fall der analysierten PV-Anlage nach dem Sturmtief Xaver im Dezember 2013 konnte der Anlagenbetreiber im Anschluss eine einvernehmliche Lösung mit dem Versicherer finden und alle defekten Module austauschen.

Leistungsspektrum trifft Kosteneffizienz

Unternehmen, die sich auf das Lösen von Ertragsproblemen für neue und alte Anlagen spezialisiert haben, machen oft die Erfahrung, dass die Dokumentationslage sehr dünn ist. Stringpläne entpuppen sich oft als falsch oder fehlen vollständig. Mit der dynamischen EL ist es möglich, zwei Fliegen mit einer Klappe zu schlagen. Zunächst findet man den Platz und Verlauf eines Strings auf dem Dach und zweitens erkennt man gleich, welchen Modulen möglicherweise mehr Aufmerksamkeit geschenkt werden sollte.

Im Zweitmarkt kann man die Zuverlässigkeit der PV-Anlage anhand von historischen Daten sehr gut ablesen. Ein Gutachten liefert unterstützend eine verlässliche Aussage über Montage- und Umsetzungsqualität und hilft, den Zeitwert und die Zuverlässigkeit weiter zu bestimmen. Jedoch sind erneute Modulvermessungen durch ein Labor oder EL-Analysen an dem wichtigsten Teil der Anlage eine Seltenheit. Der Grund dafür sind die Kosten, die schnell in die Tausende gehen, wenn man eine solide Aussage treffen möchte. Hinzu kommen Demontagen, Transportwege und Wartezeiten.

Mit der dynamischen EL ändert sich das Bild. Da auf Demontage verzichtet wird, haben sowohl Käufer als auch Verkäufer keine Ertragsverluste zu beklagen. Die schnelle Einsatzbereitschaft und Auswertung sichert ein zügiges Vorrankommen in den Verhandlungen. Werden Fehler gefunden, kann der Verkäufer eine Lösung mit anbieten oder sie vorab beheben. Einige Betreiber, die sich mit dem Verkauf beschäftigen, gehen dazu über, alle Punkte vorab auszuleuchten um Transparenz zu schaffen.

4 Fragen an Rolf Danker (Gutachter) zur dynamischen EL

FRAGE: Herr Danker, was halten Sie von der dynamischen EL?

Rolf Danker: Die dynamische Elektrolumineszenz ist eine sehr effiziente Messmethode, um eine hohe Anzahl von Modulen bzw. Strings mit einer hohen Aussagekraft zu überprüfen. Es können die versteckten Fehler und Mängel unmittelbar abgelesen und interpretiert werden.

FRAGE: Welche Möglichkeiten sehen Sie in der dynamischen EL bei der Erstellung von Gutachten?

Rolf Danker (lacht): Für mich als Gutachter hat die Methode einen wesentlichen Haken: Sie ist mit Nachtarbeit verbunden. Immerhin kann sie nicht bei Sturm oder Niederschlag eingesetzt werden. Aber Spaß beiseite. Die Vorteile liegen auf der Hand. Die Module können im verbauten Zustand überprüft werden – weitgehend unabhängig vom Gelände oder der Jahreszeit. Durch die große Zahl an Modulen, die in nur einer Nacht geprüft werden, haben wir sehr schnell Rückschlüsse auf den Zustand der gesamten Anlage. Wir sind in der Lage, das Bildmaterial unmittelbar vor Ort auszuwerten. Die Ergebnisse können wartungsunterstützend eingesetzt werden. Wir finden defekte Bypassdioden oder ausgefallene Module. Ebenso interessant ist ein Vergleich von Bildern über längere Zeiträume. So können wir die Entwicklung möglich Mikrorisse oder Zellbrüche überwachen und regelmäßig kontrollieren.

FRAGE: Wie sehen Sie die möglichen Zukunftschancen für diese Technologie?

Rolf Danker: Die Messmethode wird sich in Zukunft noch stärker etablieren, schon allein aufgrund des großen Nutzens und der Wirtschaftlichkeit. Durch die hohen Stichproben, die möglich sind, kann im Nachgang gezielt eine tiefere Prüfung erfolgen. Zum Beispiel eine Leistungsmessung der auffälligen oder kohärenten Module. Wir haben es uns zum Ziel gemacht, all die Möglichkeiten, die mit dieser Analysemethode möglich sind, aufzuzeigen, und stehen jedem Interessierten – egal ob Betreiber, Gutachter oder Solarteur – mit unserer Erfahrung zur Verfügung. Es gab in der Vergangenheit auch schon mehrfach Anfragen, ob man das System erwerben könne, und darauf können wir nur antworten: Nur zu, wir unterstützen diesen Gedanken mit all unserer Erfahrung und geben gewonnenes Wissen gerne weiter.

FRAGE: Werden Prüflabore damit überflüssig?

Rolf Danker: Diese Feldmessung wird das Prüflabor nicht ersetzen können und wollen. Prüflabore haben eine ganz andere Zielrichtung und Aufgabenstellung zu erfüllen und ergänzen sich hervorragend mit der Voranalyse einer qualitativ hochwertigen Feldmessung. Mit der dynamischen EL können Labore Anomalien gezielter zu prüfen. Mittels der dynamischen EL ist es möglich, Fragen zu klären wie: Welches Fehlerbild liegt vor? Wo in der Anlage ist es zu finden? Wie viele Module sind betroffen? Die Quantität ist mit einem Labor einfach nicht abbildbar, alleine die Kostenseite und der Zeitliche Aufwand ist mehr als erdrückend. Die dynamische EL ist eine sinnvolle Ergänzung für die Arbeiten im Feld oder auf dem Dach, wie das Kennlinienmessgerät.