Nach dem erfolgereichen Abschluss seines Masterstudiums im Studiengang „Regenerative Energiesysteme“ an der Hochschule für Technik und Wirtschaft Berlin im Juni 2008 arbeitet Stefan Wendlandt als wissenschaftlicher Mitarbeiter am Photovoltaik Institut Berlin und beschäftigt sich dort mit der Analyse von Photovoltaik Modulen.
Da ihn neben den theoretischen Vorlesungen im Bachelor, die wissenschaftliche Praxis interessierte, nahm er am Sommerstudenten Programm am Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie (HZB) im Sommer 2004 teil. Dabei untersuchte er die Langzeitstabilität von verkapselten CuInS2-Laborsolarmodulen. Im Anschluss daran blieb er als studentischer Mitarbeiter am HZB, um sich mit der Messdatenauswertung von in-situ EDXRD-Wachstumsexperimenten an CuInS2-Solarzellen zu beschäftigen. Anschließend zog es ihn für seine Bachelorabeit zum Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme nach Freiburg, hier befasste er sich einerseits mit optoelektronischer Messtechnik und anderseits mit der optischen Bewertung von Fresnel-Linsen für die Anwendung in der Konzentrator-Photovoltaik. Während seines Masterstudiums kehrte er als studentischer Mitarbeiter zum HZB zurück, um dort die elektrischen und optischen Eigenschaften von CuInS2-Solarzellen zu untersuchen und im Anschluss daran seine Studienarbeit mit dem Titel „Analytik von Cu(In,Ga)Se2-Solarzellen mit Silber-Precourser“ anzufertigen. Des Weiteren plante er während eines Praktikums eine Solarmodul Testlinie und führte Kontaktierversuche für die Dünnschichttechnologie bei der Q.-Cells SE durch. Im Rahmen seiner Masterarbeit verschlug es ihn an das „Centre for Renewable Energy Systems Technology“ an der „Loughborough University“ in Großbritannien, wo er auf dem Gebiet der optischen Simulation ein innovatives Solarsimulatordesign entwickelte. Für seinen Auslandsaufenthalt wurde er durch das „Leonardo da vinci Programm“ über die Humboldt-Universität zu Berlin finanziert.
„Schnelle Hot-Spot Analyse an Photovoltaik-Modulen“
Die Zielstellung der Promotion liegt darin ein einzigartiges messtechnisches in-line fähiges Verfahren auf wissenschaftlicher Basis zur Bewertung des Hot-Spot Risikos an PV-Modulen zu entwickeln. Im Groben bedeutet dies, dass sich mit der Grundlage des Hot-Spot Effekts, der Verfahrensentwicklung, der Bewertung einzelner Zell- und Modulfehler bezüglich des Hot-Spot Risikos, der Validierung und der Klassisierung des Verfahrens wissenschaftlich auseinander gesetzt werden soll.
Die Notwendigkeit an einem solchen Verfahren kann mit dem dynamischen und damit sich ständig weiterentwickelnden Photovoltaik-Markt begründet werden. Daraus ergibt sich, dass die Modulhersteller unter dem Zwang stehen die Kosten bei gleichwertiger bzw. besserer Qualität zu senken. Eine Kostensenkungsmöglichkeit stellt dabei der Einsatz von kristallinen Solarzellen aus „upgraded metallurgical grade silicium“ (UMG-Silizium), oder auch „photovoltaic grade silicium“ (PVG-Silizium) genannt, dar. Wafer und Zellen aus UMG-Silizium sollen kostengünstiger durch einen geringeren Energiebedarf und Prozessaufwand bei der Herstellung des polykristallinen Siliziums sein. Im Rahmen dieses finanziellen Vorteils wird jedoch eine mindere Materialreinheit in Kauf genommen. Durch den größeren Volumenanteil an Verunreinigungen zeigen sich in Rückwärtsrichtung höhere Dunkelströme sowie verfrühte Durchbruchsspannungen. In Folge dessen können im Teilverschattungsfall des Moduls durch beispielsweise Antennen, Bäume und/oder Schornsteine lokale Überhitzungen, kurz Hot-Spot’s, auftreten. Diese Überhitzungen können die Solarzelle und die Modulverkapselung irreversibel zerstören und somit einen Modulausfall bewirken. Neben der Materialqualität können auch Zellbrüche und –risse sowie Material- oder Metallisierungsfehler das Hot-Spot Risiko erhöhen.
Ein weiteres hohes Potenzial hinsichtlich der Kostenreduktion bringt die Dünnschicht-Photovoltaik-Technologie mit sich. Die Vorteile der Dünnschichttechnologie liegen dabei in der großflächigen Beschichtung, integrierten Serienverschaltung, hoher Materialeinsparungen und größeren Flexibilität bei der Verwirklichung innovativer Modul-/Zellkonzepte. Grundsätzlich lässt sich über das Hot-Spot Risiko bei Dünnschichtmodulen aussagen, dass dieses ähnlich dem von unreinerem kristallinen Silizium bei der Dickschichttechnologie ist. Das bedeutet, dass die Diodencharakteristik von Dünnschichtzellen in Rückwärtsrichtung aufgrund der herstellungsbedingten klein-körnigeren Kristallstruktur schlechter ist und somit weniger sperrend wirkt. Verstärkt wird das durch die herstellungsprozessseitige Materialgüte- und Schichtdickeninhomogenitäten der Absorberschichten. Daraus folgend unterscheiden sich die lokalen optischen und elektrischen Eigenschaften des Absorbers. So auch die des elektrischen Parallelwiderstandes des Halbleiters. Unterschreitet dieser einen technologieabhängigen Wert kann es dort im Abschattungsfall ebenfalls zu lokalen Überhitzungen kommen. Unterscheidend zu Dickschichtmodulen, kann es bei Dünnschichtmodulen auch durch die Ausbildung von starken Temperaturgradienten neben dem elektrischen Totalausfall zu einem Glasbruch kommen. Das wiederum stellt ein immenses Sicherheitsrisiko dar.
Die wissenschaftliche Betreuung der Promotion wird von Prof. Dr.-Ing. habil. Stefan Krauter an der Technischen Universität Berlin übernommen. Die Durchführung selbst erfolgt am Photovoltaik Institut Berlin.