Stromverluste durch PID verschlechtern die Solarrendite
Sackt die Leistung einer Solaranlage unerwartet ab, verschlechtert das die Renditerechnung nachhaltig. Ein Grund dafür, der erst seit Kurzem Schlagzeilen macht, ist der sogenannte High Voltage Stress (HVS), auch als PID (Potential-Induced Deduction) bekannt. Erste Lösungen sind in Sicht.
Die Grundlage für Stromverluste durch die PID (Potential-Induced Deduction) ist ein bekannter Effekt: Zwischen einer aktiven Solaranlage sowie ihren Komponenten (Modul und Solarzelle) und der Erde baut sich ein Potenzial auf, das zu Leckströmen auf Zell-, Modul- und Anlagenebene führt. Statt Strom zu erzeugen, schalten sich die aktiven Elemente sozusagen selbst kurz. Je größer der Effekt, desto geringer der Ertrag der Anlage.
Besonders stark tritt die PID auf, wenn Feuchtigkeit im Spiel ist, die Zellen oder Module also nicht ausreichend dicht versiegelt wurden. Schon 1978 wurde diese Wirkungskette prinzipiell erkannt und darüber berichtet.
PID war zu dieser Zeit aber nicht praxisrelevant, denn der Effekt verstärkt sich mit der Gesamtspannung eines Modulstrings. In einem String werden Module meist in Reihe geschaltet, und dann addieren sich nach den Kirchhoffschen Gesetzen deren Einzelspannungen auf.
PID kann potenziell jeden Solar-Modultyp betreffen
Längere, leistungsstärkere Reihen bedeuten mehr Spannung und höheres PID-Risiko, weshalb PID in Zeiten wachsender Solaranlagendimensionen plötzlich zum breit diskutierten Thema wird. Michael Köhl, Spezialist für Modultests am Fraunhofer ISE (Institut für Solare Energiesysteme), hat die Erfahrung gemacht, dass jeder Modultyp betroffen sein kann, wobei der Effekt nur bei wenigen Modulen auftrete. PID bilde, so Köhl, ein Wirkungskontinuum, das bei größeren Spannungen und Wirkdauern deutlicher werde.
Am einfachsten bekämpft man PID durch den Einbau eines Wechselrichters mit Transformator, bei dem die Gleichstromseite immer geerdet ist, das Potenzial zwischen Anlage und Erde also gezielt ausgeglichen wird. Allerdings sind gerade diese Geräte derzeit im Markt auf dem Rückzug. Denn sie sind schwerer als ihre trafolosen Pendants und die Trafos führen zu unerwünschten Leistungsverlusten bei der Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom.
Also forscht die Branche an grundlegenden Lösungen für die Orte der Problementstehung: Zelle und Modul. Potenzialinduzierte Leckströme an einer Solarzelle entstehen schon bei Spannungen von einigen 100 V. Sie steigen mit wachsender Spannung an. 20 % bis 30 % Leistungsverlust sind bei längeren Strings durchaus drin. Betroffen sind in der einen oder anderen Form fast alle Zellarten, auch Dünnschichtzellen.
PID: Wichtige Rolle spielt die oberste, antireflexive Schicht der Solarzelle aus Siliziumnitrid
Arbeiten des Solarmodulherstellers Solon haben ergeben, dass bei PID besonders die oberste, antireflexive Schicht der Solarzelle aus Siliziumnitrid eine wichtige Rolle spielt. Sie ist nicht zu verwechseln mit dem antireflexiven Glas, das das gesamte Solarmodul nach oben hin abschließt, das hat mit PID nichts zu tun.
Bei der Antireflexschicht der Zellen scheinen Dicke und Brechungsindex eine wichtige Rolle zu spielen. Hier setzen die Lösungsvorschläge von Solon an. Lars Podlowski, Technologievorstand des Modulherstellers: „Eine sehr dünne Schicht hat den Vorteil, sich schneller aufbringen zu lassen“, dies führe aber zu PID-Problemen. Es handele sich also um eine Optimierungsaufgabe: „In einem bestimmten Fenster sind die optischen Eigenschaften der Schicht gegenüber dem Optimum marginal schlechter, die Zellen funktionieren aber hinsichtlich PID hervorragend“, so der Technologievorstand.
Laut Podlowski waren die Zellhersteller, die Solon beliefern, von diesen Ergebnissen nicht alle begeistert: „Manche, besonders asiatische Hersteller, sind sehr aufgeschlossen, andere haben kein Interesse an dickeren Schichten, weil ihre Produktion mehr Zeit kostet“, konstatiert er.
Unternehmen testen neuartige Einbettungsmaterialien für Solarzellen
Bei der Q-Cells AG hat man sich bereits zu Modifikationen des Zellproduktionsprozesses durchgerungen. Optimiert werden die Diffusionsprozesse hinsichtlich Temperatur und Dauer, die Metallisierung der Leiterbahnen und die Nitritabscheidung bei der Antireflexschicht. „Alles zusammen ergibt einen verbesserten Prozess“, erklärt Peter Wawer, Senior Vice President Technology.
Der zweite, derzeit heiß diskutierte Ansatzpunkt für PID ist das Einbettungsmaterial, das die Solarzellen umgibt und dafür sorgt, dass keine Feuchtigkeit ins Modul gelangt. Hier sind neuartige, besonders wasserdichte Materialien im Gespräch. Diesen Weg gehen sowohl Schott als auch Solon und Q-Cells. Inzwischen behauptet zumindest Solon, dass ihre neuen Module sämtlich PID-frei seien. Von neutraler Seite bestätigt wurde das aber noch nicht.
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