Der Photovoltaikmarkt hat in den letzten Jahren eine Reihe technologischer Innovationen erlebt, die durch die Verfügbarkeit größerer und effizienterer c-Si-Solarzellen und die Einführung neuer Moduldesigns, Materialien und Herstellungsverfahren vorangetrieben wurden. Die sehr schnelle Einführung und Kombination mehrerer technologischer Innovationen hat zu neuen Fehlern in diesem Bereich geführt, die nicht immer im Voraus erkannt werden und die langfristige Zuverlässigkeit der heute installierten PV-Anlagen beeinträchtigen können. Das Wissen über das technologiespezifische Energieertragspotenzial, die Degradationsrate und die erwartete Lebensdauer ist für Investoren von entscheidender Bedeutung, um die Risiken im Zusammenhang mit Leistungsmängeln und neuen Produkten auf dem Markt zu minimieren. Es gibt mehrere Ansätze zur Bewertung des Energieertrags einer bestimmten PV-Modultechnologie, die jeweils ihre eigenen Vor- und Nachteile haben. Ein Ansatz besteht darin, die Module im Feld zu überwachen, während ein anderer auf einer vollständigen Charakterisierung gemäß der Energiebewertungsnorm IEC 61853 und der anschließenden Berechnung des Energieertrags anhand eines meteorologischen Datensatzes für ein ganzes Jahr basiert. Während ersterer für reale Betriebsbedingungen repräsentativ ist und Degradation erkennen kann, liefert letzterer nur einen theoretischen Wert, der für das erste Jahr repräsentativ ist, aber den Vorteil hat, dass er schnell, reproduzierbar und auf jedes Klima anwendbar ist. Je nach Umfang der Prüfung wird die eine oder die andere Methode oder eine Kombination aus beiden angewendet. Beide basieren auf hochpräzisen Messungen und Fachkenntnissen in technologiespezifischen Modulprüfverfahren.
Das ATTRACT-Projekt zielt darauf ab, Forschung und Entwicklung sowie die Industrie mit wissenschaftlichen Felddaten und Erkenntnissen über die elektrische Leistung und Degradationsraten einiger der neuen Mainstream-Modultechnologien zu unterstützen, die durch schnellere und genauere Testlösungen für hocheffiziente Module unterstützt werden.
Im Jahr 2022 startete die SUPSI ihre 14. Freilandmesskampagne (Testzyklus 14) zur Bewertung der Leistung und Zuverlässigkeit aktueller Photovoltaik (PV)-Zelltechnologien. Es wurden sieben Typen von handelsüblichen monofazialen PV-Modulen aus kristallinem Silizium ausgewählt, darunter PERC-, TOPCon-, IBC- und HJT-Module. Die Daten aus den ersten beiden Jahren der Freilandtests zeigten, dass der spezifische Energieertrag (Yf [kWh/W]) von 6 der 7 getesteten Modultypen unter optimalen Bedingungen (offenes Gestell, Südausrichtung, nahezu optimale Neigung) sehr ähnlich war (Abweichung ±0,9 %), während die Abweichung bei einer Neigung von 10° aufgrund unterschiedlicher Winkelreaktionen und Verschmutzungsverluste auf ±2,1 % anstieg. Damit hat das Projekt die Notwendigkeit von Tests unter anwendungsrelevanten Bedingungen, wie z. B. Flachdachsystemen oder BIPV-Fassaden, hervorgehoben, um potenzielle Vor- oder Nachteile einzelner PV-Technologien und/oder Modulkonstruktionen aufzudecken. Unter optimalen Bedingungen sind die anfänglichen technologischen Unterschiede angesichts der geringen Degradation nahezu vernachlässigbar.
Die begrenzte Anzahl der im Rahmen des Projekts getesteten Produkte lässt keine Verallgemeinerungen über eine bestimmte Technologie zu, gibt jedoch Aufschluss über einzelne Produkte und herstellungsbezogene Qualitätsaspekte. Die Daten der ersten zwei Jahre ermöglichten es, (1) einen frühzeitigen Ausfall bei einem der Produkte festzustellen, (2) Potenziale für die Produktoptimierung zu identifizieren und (3) die Degradation und Stabilisierungstrends im ersten Jahr zu quantifizieren. Folgende technologiespezifische Beobachtungen wurden gemacht:
• Die hier getesteten p-Typ-TOPCon-Module der ersten Generation, die nun durch n-Typ-TOPCon-Module ersetzt werden, haben systematisch die höchsten Energieerträge erzielt, was auch auf die niedrigsten Degradationsraten zurückzuführen ist. Ein Vergleich mit TOPCon-Modulen der neuen Generation ist für die Zukunft geplant.
• Die getesteten IBC-Module zeigten eine geringfügige Degradation und einen geringeren Winterertrag im Teststand mit geringer Neigung, was möglicherweise durch eine Verbesserung der Winkelempfindlichkeit behoben werden könnte. Als mögliche Ursache für die Degradation wurde eine UV-induzierte Degradation identifiziert, die jedoch noch weiter untersucht werden muss.
• PERC-Module wiesen die höchste Variabilität innerhalb von Modulen desselben Typs auf, was wahrscheinlich mit Fertigungstoleranzen zusammenhängt, insbesondere im Zusammenhang mit dem Zellzuschnitt und neuen Verbindungstechnologien, die besonders bei Shingled-Modulen deutlich werden, sowie mit Unterschieden in der lichtinduzierten Degradation. Alle beobachteten Unterschiede sind relativ gering, aber es sind längere Datensätze erforderlich, um die Entwicklung im Laufe der Zeit zu überwachen, was für ein besseres Verständnis der langfristigen Zuverlässigkeit neuer Modulkonstruktionen und zur Unterscheidung verschiedener Degradationsmechanismen von entscheidender Bedeutung ist.
• Die hier getesteten HJT-Module gelten als Ausreißer. Trotz ihres günstigen Temperaturkoeffizienten, der die Technologie potenziell in die Spitzengruppe einreiht, haben die Module aufgrund einer erheblichen Degradation, die über die Garantieansprüche hinausgeht (-5,75 %/Jahr Leistungsverlust im ersten Jahr, gefolgt von -1,57 %/Jahr), eine schlechte Leistung gezeigt, was hauptsächlich auf die Verwendung einer falschen Stückliste (BOM) zurückzuführen ist, die das Eindringen von Feuchtigkeit durch die Rückseitenfolie nicht verhindert. Die Wirksamkeit verschiedener Maßnahmen zur Verhinderung von feuchtigkeitsbedingter Degradation in HJT-Modulen wird in Zukunft durch den Vergleich verschiedener Produkte untersucht werden.
Technologie-Benchmarking und Energiebewertung beruhen sowohl auf genauen als auch auf umfangreichen Tests unter Laborbedingungen. Der Zeit- und Kostenaufwand, insbesondere für hochpräzise ER-Messungen gemäß IEC 61853 Teil 1, stellen ein klares Hindernis für Forschung und Industrie dar. Das Projekt zielte darauf ab, die elektrische Charakterisierung von hocheffizienten Modulen, die von kapazitiven Effekten beeinflusst werden, zu verbessern, indem der Zeitaufwand für Messungen bei unterschiedlichen Bestrahlungsstärken und Temperaturen reduziert wurde, ohne die Messunsicherheit zu beeinträchtigen. Ein modifizierter Dragon-Back-Ansatz wurde eingeführt und validiert, der eine Reduzierung der effektiven Messzeit für eine Vollleistungsmatrix auf etwa 42 Minuten demonstrierte, was 10-mal weniger ist als die beste Referenzmethode bei SUPSI, ohne die Messunsicherheit zu beeinträchtigen. Einer der Engpässe bleibt die Dauer der thermischen Stabilisierung bei der Messung der Modulleistung bei verschiedenen Temperaturen. Die Leistungsmatrixmessung wurde im Rahmen eines internationalen Laborvergleichs validiert und zeigte Unsicherheiten, die für alle Messpunkte nahe an der STC-Unsicherheit lagen. Es wurden einige neue technologische Herausforderungen oder Einschränkungen im Zusammenhang mit der Prüfung von großformatigen Modulen identifiziert.
Nicht zuletzt hat die Entwicklung von (Pk/Si)-Perowskit-Silizium-Tandemsolarzellen aufgrund ihres Potenzials, die Umwandlungseffizienzgrenze von (c-Si)-Kristallsilizium-Einzelzellen zu einem vorhersehbaren, erschwinglichen Preis zu überschreiten, erheblich an Bedeutung gewonnen. Daher war es das Ziel des Projekts, die Testmöglichkeiten des SUPSI PVLab für die aufkommende Perowskit-Technologie zu bewerten, beginnend mit PK-Einzelmodulen. Es wurde eine Software geschrieben, um die Module unter STC-Bedingungen gemäß einem vom ESTI des Joint Research Centre (JRC) entwickelten Testverfahren sowie im Freien unter variablen Lichtbedingungen und unterschiedlichen Spannungsdurchlaufzeiten zu testen. Die SUPSI hat ihre Testanlage für PK-Einzelmodule aufgerüstet. Der nächste Schritt wird die Aufrüstung für die Prüfung von Mehrfach-Junction-Perowskit-Modulen und die Optimierung von Algorithmen zur Nachführung des maximalen Leistungspunkts sein, die es der SUPSI in Zukunft ermöglichen würden, PK/Si-Module in die Technologie-Benchmarking-Kampagnen im Freien einzubeziehen.
