Materialcharakterisierung

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Modul mit Ultraschallwandlern.

Die Charakterisierung der physikalischen Werkstoffeigenschaften ist eine wichtige Voraussetzung bei der Zuverlässigkeitsbewertung, Alterungsuntersuchung und Qualitätssicherung von PV-Modulkomponenten. Das Fraunhofer CSP bietet neben Standardprüfverfahren (z. B. Zug- und Biegeversuche, Peel-Tests) auch speziell angepasste Prüfungen, wie die Festigkeitsbewertung von verkapselten Solarzellen und die In-Laminat Ermüdungsprüfung von Solarzellenverbindern. Diese Untersuchungen können stets eine Grundlage für eine Modellierung und weiterführende Simulationen bilden. Weiterhin können auf Kundenwunsch individuelle Prüfungen durchgeführt und entwickelt werden. In Kombination mit Alterungsuntersuchungen kann die Veränderung der Materialeigenschaften verfolgt werden.

Leistungen

  • Ermittlung von Materialkennwerten (z. B. E-Modul, Querkontraktion, Fließspannung)
  • Festigkeitsbewertung von Solarglas nach DIN 1288
  • Festigkeitsbewertung und Rissuntersuchung von verkapselten Solarzellen
  • zerstörungsfreie Charakterisierung elastischer und mikrostruktureller Eigenschaften von Solarmodulkomponenten mit Ultraschall
  • Bewertung der Ermüdungsfestigkeit von Solarzellenverbindern
  • Erstellung eines thermischen Profils von Polymermaterialien wie auch Materialkombinationen mittels  Differentieller-Wärmestrom-Kalorimetrie (DSC), Rotationsrheometer und Thermo-Mechanischer Analyse (TMA)
  • Ermittlung des Vernetzungsgrades nach der Lamination mittels Soxhlet-Extraktion
  • Polymeranalytik (YI, UV-Vis, FTIR, DSC, DMA)

Beispiele

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Schrittweise Elektrolumineszenzaufnahmen geben Aufschluss über die bei einer bestimmten mechanischen belastung entstandenen Risse im Solarmodul.

Untersuchung von Rissen in verkapselten Solarzellen

Risse in Solarzellen sind in der alltäglichen Praxis ein häufig auftretendes Problem. Sie beeinträchtigen die Modulleistung und können im schlimmsten Fall zu Kurzschlüssen führen.
Zur Untersuchung dieser Risse wurde am Fraunhofer CSP ein Verfahren entwickelt, bei dem Solarzellen im Modullaminat unter definierten Randbedingungen mechanischen Belastungen ausgesetzt werden. Dazu kombinierten wir eine Universalprüfmaschine mit 4-Punkt-Biegeeinrichtung mit einer Elektrolumineszenz-Kamera (EL-Kamera) und programmierten einen automatischen Versuchsablauf. Während die Belastung schrittweise erhöht wird, erzeugt man bei jedem Lastschritt eine EL-Aufnahme, sodass am Ende des Versuchs Risse exakt der Belastung zugeordnet werden können, bei der sie entstanden sind. Mit Hilfe von Ergebnissen aus einer Finite-Elemente-Simulation kann jeder Rissentstehung eine Bruchspannung zugeordnet werden. Als Ergebnis lässt sich eine sogenannte In-Laminat-Festigkeit berechnen. Damit ist es möglich zukünftige Modulaufbauten mit neuartigen Solarzellen, Gläsern oder Verkapselungsmaterialien unter definierten Laborbedingungen zu analysieren und die Wahrscheinlichkeit einer Rissbildung unter einer bestimmten mechanischen Belastung vorherzusagen.

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Mithilfe des Doppelring-Verfahrens an plattenförmigen Proben mit großen Prüfflächen (DIN EN ISO 1288-2) lässt sich die mechanische Festigkeit von Glas überprüfen.

Untersuchung optischer Qualität und mechanischer Zuverlässigkeit von Solarglas

Als tragendes Element hat Glas maßgeblichen Einfluss auf die Effizienz von Photovoltaik-Modulen. Deren Zuverlässigkeit wird in entscheidendem Maße durch die Festigkeit des Glases bestimmt. Darüber hinaus besteht Forschungsbedarf dazu, inwieweit die optischen Eigenschaften durch die Verarbeitungsprozesse während der PV-Modul-Herstellung beeinflusst werden.

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Modul mit Ultraschallwandlern.

Charakterisierung elastischer und mikrostruktureller Eigenschaften von Solarmodulkomponenten mit Ultraschall

Für die Zuverlässigkeit eines Solarmoduls sind die Eigenschaften der einzelnen Komponenten von entscheidender Bedeutung. Um die mechanischen und mikrostrukturellen Eigenschaften verschiedener Solarmodulkomponenten während der Produktion messen und überwachen zu können, setzen wir auf neuartige Ultraschallcharakterisierungsverfahren. So gelang es beispielsweise, den effektiven Elastizitätsmodul, die Poissonzahl, die Fließspannung sowie die mittlere Korngröße und -orientierung von Solarzellenverbindern zerstörungsfrei zu bestimmen.

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Anhand spezifischer Experimente lässt sich das Ermüdungsverhalten von Solarzellenverbindern unter wechselnder mechanischer und thermo-mechanischer Belastung simulieren.

Verbinderermüdung

Die Ermüdung von Solarzellenverbindern ist eine entscheidende Versagensart von Solarmodulen. Ein Verbinderausfall beeinflusst den Serienwiderstand des Moduls und führt somit zu Leistungsverlust, lokal erhöhten Temperaturen bis hin zu Sicherheitsproblemen während des Betriebs (Lichtbogen). Eine Belastung der Verbinder findet statt, wenn sich die Zellen relativ zueinander aufgrund von Temperaturänderungen oder mechanischen Modulbelastungen verschieben. Mit spezifischen Experimenten untersuchen wir das Konstitutiv- (Spannung-Dehnungs-Verhalten) und Ermüdungsverhalten der Verbindermaterialien. Die erhaltenen Materialdaten nutzen wir in Finite-Element-Modellen, um die Lebensdauer (Zyklen bis Bruch) im spezifischen PV-Modul unter beliebig wechselnder mechanischer und thermo-mechanischer Belastung zu berechnen.

Leitkleber als Lötalternative

Leitkleber sind eine vielversprechende Alternative zu Standardlötverfahren. Vorteile sind die geringeren Prozesstemperaturen (<150°C), relativ einfache Prozesstechnologie mit der Möglichkeit der Automatisierung und die Umweltfreundlichkeit, da kein Blei und Flussmittel zum Einsatz kommt.
Am Fraunhofer CSP sind  wir in der Lage, alle relevanten Eigenschaften zu charakterisieren: Die Verarbeitungseigenschaften bestimmen wir mittels Thermoanalytischer Methoden (DSC, TGA, DMA, TMA). Strukturen zur Bestimmung von Volumenwiderstand und Kontaktwiderstand lassen sich nach Bedarf herstellen und vermessen. Die mechanischen Eigenschaften der Klebeverbindungen bewerten wir mit Hilfe von Standard-Peeltests als auch spezieller Testsetups, die auch die elektrischen Kennwerte einbeziehen.