30 Jahre Kalibrierlabor CalLab PV Cells des Fraunhofer ISE

Wenn Sie den Wirkungsgrad einer Solarzelle genau wissen wollen, so ist die Wahrscheinlichkeit hoch, dass Sie früher oder später in Freiburg landen. Seit 30 Jahren gehen hochgenau vermessene Referenzsolarzellen – und seit fast 25 Jahren auch Referenzmodule – vom Kalibrierlabor CalLab PV Cells des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme ISE von Freiburg in die ganze Welt. Forscher, Hersteller und Anlagenbetreiber bestellen Referenzsolarzellen, um einen genauen »Maßstab« vor Ort zu haben. Wie beim »Urmeter« in Paris kann man mit einer Kopie des Originals die eigenen Messwerte prüfen. Da das CalLab PV Cells international anerkannt und zertifiziert ist, wird jede Zahlenangabe glaubhafter, wenn das Siegel des Fraunhofer ISE daneben steht. Das CalLab wurde 1986 mit drei Personen gegründet. Heute kalibrieren 30 Mitarbeitende etwa 2500 Solarzellen und 5000 Solarmodule pro Jahr.

Wie kalibriert das CalLab Solarzellen?

CalLab PV Cells misst die Fläche der Zelle mit einem kameragestützten Gerät und die spektrale Empfindlichkeit mit einem Filter-Monochromator. Damit kann der Solarsimulator auf die Standardtestbedingungen – AM 1,5 Standardspektrum, 1000 Watt pro Quadratmeter Einstrahlung und 25 °C Zelltemperatur – eingestellt werden. Die Zelle wird mit Vakuumansaugung auf einem temperaturgeregelten Messblock fixiert, ohne Abschattungsverluste elektrisch kontaktiert und eine Strom-/Spannungscharakteristik aufgenommen. Daraus werden Kurzschlussstrom, Leerlaufspannung, Füllfaktor und Wirkungsgrad ermittelt. Etwa 90 Prozent der Aufträge kommen aus der Industrie. Ein Hersteller schickt z. B. fünf selektierte Zellen aus der Produktion. Nach der Kalibrierung macht er sich 100 Kopien für seine laufende Produktion. Dort werden 3600 Zellen pro Stunde damit kontrolliert. Nach einem Jahr wird die Kalibrierung überprüft.

Der lange Weg zu einem Primärstandard

Beim Kalibrieren vergleicht man ein Testobjekt mit einer bekannten Referenzzelle als Maßstab. Sie kann wiederum auf einen nationalen Primärstandard zurückgeführt werden, der in Deutschland bei der PTB (Physikalisch-Technische Bundesanstalt) in Braunschweig vorgehalten wird. Die PTB produziert für das Fraunhofer ISE besonders genau vermessene Primär-Referenzzellen. Das sind speziell gekapselte Solarzellen. Davon kann das CalLab PV Cells gekapselte Sekundär-Referenzzellen herstellen oder für die Industrie Standardproduktionszellen als ungekapselte Arbeits-Referenzzellen kalibrieren. CalLab PV Cells und PTB arbeiten seit 1986 eng zusammen. CalLab PV Cells ist als offizielles Kalibrierlabor von der Deutschen Akkreditierungsstelle GmbH (DAkkS) anerkannt.

Präzision aus Leidenschaft

»Wir haben den Ehrgeiz, alles präzise zu vermessen, was aus Sonnenlicht Strom macht«, sagt Dr. Jochen-Hohl-Ebinger, Teamleiter des CalLab PV Cells. Zusammen mit seinen Kollegen von den anderen Kalibrierlabors muss er mit der Entwicklung der Zelltechnologie Schritt halten. Ein ganzer Zoo von Solarzellentypen ist bereits durch seine Hände gegangen – natürlich hat er dabei Handschuhe getragen: Silicium, III-V, II-VI, Mehrfachzellen, verschiedene Dünnschicht-Technologien ebenso wie organische , Farbstoff- und Konzentrator-Solarzellen. Die Zellgröße reicht von einem Quadratmillimeter über Zellen mit einer Größe von 15×15 Quadratzentimetern bis hin zu Konzentrator-Modulen. Trotz der unterschiedlichen Zelltypen und -größen, haben er und seine Kollegen immer ein individuell passendes Messverfahren gefunden. Qualitätsmanagement ist auch ein wichtiger Faktor. Vor einigen Monaten waren Jochen Hohl-Ebinger und sein Chef Dr. Wilhelm Warta, Abteilungsleiter Charakterisierung und Simulation, bei einem Mitbewerber, einem international renommierten Kalibrierlabor, weil es zwischen den beiden Labors Abweichungen von 0,5% bei Silicium-Standardzellen gab. Die drei Forscher haben sämtliche Teile der Apparatur und des Messprogramms so lange untersucht, bis sie die Ursachen für die Abweichungen gefunden hatten.

Vertrauen ist gut, Kontrolle ist besser

Um Artefakte und andere Fehler zu beseitigen, führen die vier wichtigsten Kalibrierlabors der Welt regelmäßig Ringvergleiche durch und können so je nach Zelltyp Messungenauigkeiten zwischen 0,7 und 2% halten. Neben der Qualität ist noch eine andere Sicherheit für die Kunden wichtig: Absolute Vertraulichkeit. Zwar ist das CalLab PV Cells durch das Wissen über die  Solarzellentechnologie am Fraunhofer ISE immer auf dem neuesten Forschungsstand. Umgekehrt fließt aber keine Information. Nur der Leiter des CalLab PV Cells und ausgewählte Mitarbeiter wissen, woher die Testzellen kommen und welche Ergebnisse sie erzielen. Das gilt auch für Jochen-Hohl-Ebingers Vorgesetzen, den Leiter des Bereichs Solarzellen – Entwicklung und Charakterisierung: »Mein Chef hat erst beim Konferenzvortrag eines Forscherkollegen erfahren, dass dieser ihm den Weltrekord abgenommen hat, obwohl wir das im CalLab PV Cells gemessen hatten«, erzählt Hohl-Ebinger.

Fast kein Messobjekt gleicht dem anderen

Fast jedes Messobjekt ist anders. So muss bei rückseitenkontaktierten Zellen für jeden neuen Typ ein eigener Messblock aus massivem Kupfer angefertigt werden – Kostenpunkt 15 000 Euro. Für Solarzellen-Hersteller ist das dennoch eine gute Investition: Nach gut zwei Wochen hat sich die Ausgabe rentiert, wenn dadurch nur ein halbes Prozent genauer selektiert werden kann. In einer 250 MW Produktionslinie bedeutet 0,5% bessere Genauigkeit 1000 Euro pro Tag! Wie sieht es mit beidseitig beleuchtbaren Solarzellen aus? Um die beste »schwarze« Farbe für den Messblock zu finden, damit Streulicht von hinten reduziert wird, war eine ganze Serie von Experimenten nötig. Kurz gesagt, es gibt keine Standardmethode, um Standardzellen zu kalibrieren. Für jede Apparatur muss ein neues Messverfahren mit Kalibrierqualität gefunden werden. Wissenschaftler von CalLab PV Cells haben den Vorteil, dass sie die inhouse-Expertise ihrer Kollegen zu Technologien und Messmethoden von Solarzellen nutzen können. Aber während CalLab PV Cells von den Technologieabteilungen profitiert, können diese nicht auf die Ergebnisse des CalLab PV Cells zurückgreifen.

Murphy bändigen

Murphys erstes Gesetz, eine der unter Physikern bekanntesten Lebensweisheiten, sagt aus, dass alles, was falsch laufen kann, irgendwann falsch laufen wird. Man braucht die Energie eines »Tatort«-Ermittlers und die Gelassenheit einer Seiltänzerin, um versteckte Fehler zu finden und Qualitätsmanagement-Prozeduren einzuhalten, auch wenn eine lange Warteschlange von Kunden drängelt, um Ergebnisse zu bekommen. Es ist eine Leistung, eine Präzisionsmessapparatur aufzubauen, doch eine ganz andere Herausforderung ist es, die hohe Qualität und Reproduzierbarkeit beizubehalten, auch wenn 50 verschiedene Zellen pro Woche gemessen werden müssen. Daher wird jeder Schritt dokumentiert und zertifiziert. Es gibt einen Wartungsplan für jedes Digital-Voltmeter und jedes Netzgerät. Das Wechseln einer Glühlampe kann einen 50-stündigen Prozess auslösen, der das Altern der Lampe, das Justieren der elektrischen und optischen Elemente und Neuvermessung spektraler und Homogenitätseigenschaften einschließt. Nur wenn die Werte der dafür vorgehaltenen verkapselten Referenzzellen verlässlich reproduziert werden können, wird die neue Lampe für Kalibrierungen freigegeben.

Speisekarte für Kalibrierungen

Standard-Zellkalibrierungen sind ab 470 Euro möglich. Dafür werden Fläche, Linearität, spektrale Empfindlichkeit und eine Strom-Spannungs-Kennlinie geliefert. Viele weitere Messungen, wie die Einstrahlungs-, Temperatur- und Winkelabhängigkeit und damit aller Parameter zur Ertragsprognose sind möglich. Insgesamt decken die drei Kalibrierlabors am Fraunhofer ISE den gesamten Bereich der photovoltaischen Generatoren von Flachmodulen bis hin zu Konzentratorsolarzellen ab. Wegen der steigenden Nachfrage arbeitet CalLab PV Cells aktuell an einem neuen Laser-gestützten Verfahren, das verspricht, noch genauer und schneller zu sein.

Mehr Informationen

• Detaillierte Beschreibung des CalLab PV Cells:
  https://www.ise.fraunhofer.de/de/servicebereiche/callab
• Presseinformation: 30 Jahre CalLab PV Cells:
  https://www.ise.fraunhofer.de/de/presse-und-medien/presseinformationen/