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Pr├╝fung von Solarzellen

Enorme St├╝ckzahlen, lange Lebenserwartung und nur wenig bis ├╝berhaupt keine Pr├╝frichtlinien. Dies ist das aktuelle Umfeld in der Photovoltaik. Um dennoch auf dem hart umk├Ąmpften Markt zu bestehen und die zugesagten Leistungsdaten und Lebensdauer zu niedrigsten Preisen zu erreichen, ist es unerl├Ąsslich, sein Produkt zu ├╝berpr├╝fen. Der enorme Preisverfall in den letzten Jahren kann nur durch bessere Qualit├Ąt, kosteng├╝nstige Produktion und h├Âhere Sicherheit ├╝berstanden werden.

Herausforderungen

Eine Solarzelle ist tagt├Ąglich extremen Umgebungsbedingungen ausgesetzt. Regen, Hagel, Sturm, aber auch gro├če Temperaturschwankungen d├╝rfen die Funktionsf├Ąhigkeit nicht beeintr├Ąchtigen. Schneelast, Eis und auch Montagearbeiten m├╝ssen schadensfrei ├╝berstanden werden und dies bei einer gew├╝nschten Lebenserwartung von bis zu 40 Jahren. Das sind hohe Anforderungen, sowohl an elektrische als auch mechanische Eigenschaften. Aber gerade f├╝r die mechanischen Anforderungen an die Bauteile fehlen Pr├╝fnormen. Abgesehen von internen einzelvertraglichen Richtlinien zwischen Lieferanten und Hersteller, existiert keine standardisierte Qualit├Ątssicherung f├╝r Solarzellen. Diese fehlenden Standards und individuelle Kundenanforderungen bed├╝rfen ma├čgeschneiderte Pr├╝feinrichtungen und -aufgaben. Hier sind Experten aus der Materialpr├╝fung gefragt.

Pr├╝fmethoden / Normen allgemein

Pr├╝fmethoden / Normen allgemein

DIN ISO 614
DIN EN 1288-5
DIN EN 1465
DIN EN 1464
DIN EN 1288-3
IEC 61215 bzw. EN 61215
IEC/EN 61215 und IEC/EN 61646
DIN EN 1288-2, Oktober 2007
IEC 61646 bzw. EN 61646

DIN ISO 614

Schiffbau und Meerestechnik; Scheiben aus Einscheibensicherheitsglas f├╝r rechteckige und runde Schiffsfenster; Stempeldruckversuch zur zerst├Ârungsfreien Pr├╝fung der Festigkeit (ISO 614:1989-09)

DIN EN 1288-5

Glas im Bauwesen - Bestimmung der Biegefestigkeit von Glas - Teil 5: Doppelring - Biegeversuch an plattenf├Ârmigen Proben mit kleinen Pr├╝ffl├Ąchen (ISO/DIS 1288-5:2007); Deutsche Fassung prEN ISO 1288-5

DIN EN 1465

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

DIN EN 1464

Klebstoffe - Bestimmung des Sch├Ąlwiderstandes von hochfesten Klebungen - Rollensch├Ąlversuch (ISO 4578:1990, modifiziert); Deutsche Fassung EN 1464:1994 (DIN EN 1464:1995-01) Ersatz f├╝r: DIN 53289:1979-09

DIN EN 1288-3

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

zwickiLine mit Biegevorrichtung f├╝r Wafer-Pr├╝fung

IEC 61215 bzw. EN 61215

Die IEC 61215 bzw. EN 61215 beschreibt auf der Grundlage m├Âglicher Alterungseinfl├╝sse die verschiedensten Qualifikationstests zur k├╝nstlichen Beanspruchung der Materialien von PV-Modulen. Im Einzelnen werden die folgenden Beanspruchungsgruppen unterschieden:

Sonnenlicht inkl. UV
Klima (K├Ąlte, W├Ąrme, Feuchte, Klimawechsel)
Mechanische Belastung (Hagel, Windsog, -druck, Schnee)

Die Pr├╝fungen gelten als bestanden, wenn nach den Qualifikationstests keine wesentlichen visuellen Sch├Ąden erkennbar sind und die Leistungsabgabe sowie die Isolationseigenschaften sich nicht oder nur unwesentlich gegen├╝ber dem Eingangszustand ver├Ąndert haben. Das Pr├╝fzertifikat entsprechend der IEC 61215 hat sich in den vergangenen Jahren als Qualit├Ątszeichen f├╝r kristalline PV-Module durchgesetzt. Inzwischen wird ein solches Zertifikat von den meisten Bewilligungsstellen f├╝r nationale und internationale F├Ârderma├čnahmen gefordert.

IEC/EN 61215 und IEC/EN 61646

IEC bzw. EN 61215 f├╝r Dickschicht- und IEC bzw. EN 61646 f├╝r D├╝nnschicht-Module (Terrestrische Photovoltaik-Module mit kristallinen Solarzellen-Bauarteignung und Bauartzulassung)

Die Pr├╝fung nach IEC 61215 ist sehr streng, denn die Solarmodule des Unternehmens m├╝ssen in fast allen geografischen Breiten und unter den meisten Umweltbedingungen ├╝berall auf der Welt im Freien bis zu 25 Jahre standhalten. Soweit w├Ąhrend des Vorgangs keine Fehler auftreten, dauert die IEC-Pr├╝fung insgesamt ├╝ber 5 Monate. Um diese strenge Norm erf├╝llen zu k├Ânnen, muss ein Testsatz von Modulen ein Umwelttestprotokoll bestehen, bei dem UV-Strahlung, extreme Temperaturen, u. a. ein verl├Ąngertes Aussetzen hoher Temperaturen und Feuchtigkeit, mechanische Belastungen und Verwindungen eingesetzt werden und die Best├Ąndigkeit gegen Hagel und Steineinschlag gepr├╝ft wird. Parallel zu den Umwelttests werden die Module insgesamt auf ihre elektrische Leistungsf├Ąhigkeit, 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 plattenf├Ârmigen Proben mit gro├čen Pr├╝ffl├Ąchen (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 m├Âglicher Alterungseinfl├╝sse die verschiedensten Qualifikationstests zur k├╝nstlichen Beanspruchung der Materialien von D├╝nnschicht-Modulen. Im Einzelnen werden die folgenden Beanspruchungsgruppen unterschieden:

  • Sonnenlicht inkl. UV
  • Klima (K├Ąlte, W├Ąrme, Feuchte, Klimawechsel)
  • Mechanische Belastung (Hagel, Windsog, -druck, Schnee)

Die Pr├╝fungen gelten als bestanden, wenn nach den Qualifikationstests keine wesentlichen visuellen Sch├Ąden erkennbar sind und die Leistungsabgabe sowie die Isolationseigenschaften sich nicht oder nur unwesentlich gegen├╝ber dem Eingangszustand ver├Ąndert haben. Das Pr├╝fzertifikat entsprechend der IEC 61646 hat sich in den vergangenen Jahren als Qualit├Ątszeichen f├╝r kristalline PV-Module durchgesetzt. Inzwischen wird ein solches Zertifikat von den meisten Bewilligungsstellen f├╝r nationale und internationale F├Ârderma├čnahmen gefordert.

Beispiele f├╝r Pr├╝fl├Âsungen

Um einen Eindruck ├╝ber den Einsatz von zerst├Ârenden Materialpr├╝fungen in der Solarzellen- und Modulherstellung zu gewinnen, sind hier am Beispiel von Produktionskontrollen in den einzelnen Produktionsschritten von Dickschichtzellen Pr├╝fungsanwendungen 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 (├╝ber 20 %) auszeichnen. Zudem zeichnen sie sich durch einen hohen Fl├Ąchenwirkungsgrad aus. So wird beispielsweise f├╝r 1 Kwp ca. 8 qm Dachfl├Ąche ben├Âtigt. Der Material- und Energieeinsatz bei der Herstellung dieser Module ist relativ hoch, eine konsequente Qualit├Ątssicherung daher unverzichtbar.
  • D├╝nnschicht Solarzellen gibt es in verschiedenen Variationen, je nach Substrat und aufgedampften Materialien: amorphem oder mikrokristallinem Silizium (a-Si, ╬╝-Si), Gallium-Arsenid (GaAs), Cadmium-Tellurid (CdTe) oder Kupfer-Indium-(Gallium)- Schwefel-Selen-Verbindungen(CIGS). D├╝nnschichtzellen 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 grunds├Ątzlich anderen Aufbaues der Solarzellentypen, stellen sich je nach Solarzellentechnologie unterschiedliche Pr├╝faufgaben.

Sch├Ąlversuch an Tedlar-Films

Kunststoffschichten aus EVA (Ethylenvinylacetat) oder Gie├čharz werden beidseitig laminiert und bilden einen wasserdichten Korrosionsschutz. Ein Tedlar┬«-Film oder eine Glasplatte auf der R├╝ckseite sch├╝tzt das Modul zus├Ątzlich. Mit dem 90┬░-Sch├Ąlversuch wird die Festigkeit dieser Verbindungen gepr├╝ft. Hierbei wird der Tedlar┬«-Film in einen Schraub-Probenhalter eingespannt und von der Glasplatte angezogen. F├╝r diese Pr├╝fung eignet sich wiederum eine eins├Ąulige Pr├╝fmaschine, da hier problemlos unterschiedlich gro├če Glasplatten gepr├╝ft werden k├Ânnen. Diese Pr├╝fung wird zum einen prozessbegleitend zur ├ťberpr├╝fung der Einstellung der Maschinenparameter durchgef├╝hrt. Zum anderen findet diese Pr├╝fung sowohl Anwendung in der Wareneingangskontrolle als auch im Rahmen einer Requalifizierungspr├╝fung nach Ablauf der Mindesthaltbarkeiten. Um den Standards zu gen├╝gen, muss der Tedlar┬«-Film Abzugskr├Ąften bis 250 N standhalten.

Abzugversuch zwischen Anschlussdose und Anschlusskabel

F├╝r das fertige Modul sind verschiedene Sicherheitspr├╝fungen ratsam, wie Festigkeitspr├╝fung der Rahmenstruktur, Ermittlung der Einpress- und Auszugskr├Ąfte der Eckenverbinder, Auszugsversuche der elektrischen Anschl├╝sse sowie Zug-, Druck- und Biegeversuche an Montagesystemen zur Modulbefestigung. Kabelausrei├čversuche an der Anschlussbox k├Ânnen mit Hilfe einer zweis├Ąuligen Pr├╝fmaschine der Baureihe AllroundLine durchgef├╝hrt werden. Die Anschlussbox wird durch einen speziellen Probenhalter gehalten. Das Verbindungskabel wird durch einen Schraub-Probenhalter gehalten und mit Kr├Ąften 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 gro├če Glasplatte auf eine Doppelring-Biegevorrichtung (bestehend aus St├╝tz- und Lastring sowie Anschlagstiften zur Fixierung der Probe) aufgelegt. Ein Pr├╝fstempel belastet die Probe anschlie├čend bis zum Bruch. Der Metallbeh├Ąlter verhindert das Eindringen von Glassplittern in den Maschinen-Antrieb. Diese Pr├╝fung wird standardm├Ą├čig mit einer zweis├Ąuligen Pr├╝fmaschine mit Fmax 50 kN durchgef├╝hrt.

ProLine mit 4-Punkt-Biegepr├╝fung an Bauglas nach EN 1288-3

  • Zur Sicherheitspr├╝fung der verwendeten Glasplatte kann sowohl ein statischer Stempeldruckversuch gem├Ą├č EN 1288-5 durchgef├╝hrt werden als auch ein 4-Punkt-Biegeversuch nach EN 1288-3.
  • F├╝r beide Versuche wird eine AllroundLine Pr├╝fmaschine von ZwickRoell verwendet. Bei beiden Versuchen m├╝ssen Sicherheitsvorrichtungen integriert sein, die Sch├Ąden durch unkontrolliert wegspringende Glassplitter verhindern.
  • Dieses Pr├╝fsystem wurde speziell f├╝r die Bestimmung der Biegefestigkeit von Flachglas im Bauwesen nach EN 1288-3 zusammengestellt und erf├╝llt alle Anforderungen der Norm. Alle Auflager- und Biegerollen sind frei drehbar und haben die geforderten Ma├če und Abst├Ąnde.

4-Punkt-Biegevorrichtung f├╝r die Pr├╝fung von Wafer

  • 4-Punkt-Biegevorrichtung f├╝r die Pr├╝fung von Wafer / Einzelchips oder ├Ąhnlichen Bauteilen.
  • Sie beinhaltet 2 Biegebalken mit jeweils 2 verstellbaren Druckstempeln und ist verwendbar mit einem Kraftaufnehmer Fmax 10 N.

4-Punkt-Biegeversuch

4-Punkt-Biegeversuch an Solarzellen, Solar-Branche, zwickiLine

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