Rätsel um Schneckenspuren gelöst

Das Fraunhofer-Center für Siliziumphotovoltaik hat herausgefunden, was sich hinter dem Phänomen „Schneckenspuren“ verbirgt: Die Dunkelfärbung auf den Solarzellen ruft elementares Silber hervor, das sich aus dem Kontaktgitter gelöst im Einkapselungsmaterial ablagert. Das war in der Vergangenheit bereits ansatzweise vermutet worden, ein Nachweis fehlte bislang aber noch. Auswirkungen auf die Leistung oder Sicherheit der Solarzelle sind mit der Verfärbung nicht verbunden. Anders sieht es mit Mikrorissen in den Zellen aus, die zur Bildung von Schneckenspuren beitragen.

Sie zeigen sich mehrere Wochen nach der Inbetriebnahme einer Photovoltaikanlage, bestehen aus dunklen, breiten Linien und verlaufen häufig kreuz und quer über Solarzellen: So genannte Schneckenspuren traten vor rund drei Jahren erstmals vermehrt in Erscheinung und verunsicherten Anlagenbetreiber und Installateure. Wissenschaftliche Erklärungen für das neue Phänomen fehlten ebenso wie Prognosen über mögliche Auswirkungen auf die Leistung der Module. Produkte diverser Hersteller, egal ob in Deutschland, Italien oder Spanien installiert, zeigten sich für die Verfärbung anfällig. In Ermangelung eines Begriffs für die Erscheinung, prägte der Volksmund das Wort Schneckenspur – weil die dunklen Linien an Schleimspuren ebenjener Weichtiere erinnern. Bei näherer Betrachtung ist aber mit bloßem Auge zu erkennen, dass sich das silberne Kontaktgitter auf den Solarzellen offenbar braun gefärbt hat. Warum das an bestimmten Stellen geschieht, daran forschten in den vergangenen drei Jahren verschiedene Photovoltaiklabore. Wissenschaftler vom Fraunhofer-Center für Siliziumphotovoltaik (CSP) in Halle haben das Phänomen und seine Ursachen nun entschlüsselt.

Quelle: Photovoltaikforum

Quelle: Photovoltaikforum

Silberionen reagieren zu elementarem Silber

Hinter den dunklen Linien stecken Silberpartikel, die sich im Einkapselungsmaterial um die Solarzellen – zumeist verwenden die Hersteller Folien aus Ethylenvinylacetat (EVA) – angereichert haben. „Die Silberpartikel sind so klein, dass klassische Nanoeigenschaften gegeben sind“, sagt Sylke Meyer vom Fraunhofer CSP. So absorbierten die Teilchen bestimmte Wellenlängen des Lichts und färbten sich bräunlich, fügt die Wissenschaftlerin hinzu, die bei der Erforschung des Phänomens beteiligt war. Die These, dass hinter der dunklen Farbe Silber steckt, hatte erstmals vor zwei Jahren Marc Köntges vom Institut für Solarenergieforschung GmbH Hameln (ISFH) zum Workshop Photovoltaik-Modultechnik beim TÜV Rheinland aufgeworfen. Auch in anderer Hinsicht lagen Köntges sowie Wissenschaftler des Fraunhofer-Instituts für Solare Energiesysteme (ISE) richtig: Die Verfärbung findet unter dem Einfluss von Wasser statt und den im Modul eingesetzten Folien kommt eine entscheidende Rolle zu, haben die Experimente am Fraunhofer CSP ergeben. „Es ist ein Zusammenspiel aus Einkapselungsmaterial und Rückseitenfolie. Es ist dabei egal, welche Polymertypen verwendet werden und wie hochwertig diese sind. Entscheidend sind aus unserer Sicht Additive, die zum Beispiel als Haftvermittler oder Antioxidationsmittel zu den Folien gefügt werden“, erläutert Meyer.

Die exakten chemischen Reaktionen sind noch nicht bewiesen. Es fehlen also noch letzte Details zur Erklärung der Vorgänge im Modul. Die Hypothese der Wissenschaftler des Fraunhofer CSP ist aber dennoch recht konkret: Wasserteilchen lösen die erwähnten Additive aus den Kunststoffen. Dass Wasser über die Rückseitenfolie ins Modul diffundiert, ist schon länger bekannt und nachgewiesen. Auf ihrem weiteren Weg durch das Modul gelangen die Teilchen über Mikrorisse oder die Zellkanten auf die Vorderseite der Solarzelle und gehen dann eine Reaktion mit den Silberionen ein. Diese werden zu sehr kleinen Partikeln metallischen Silbers reduziert. „Für die Verfärbung der Zellen ist diese Reduktionsreaktion entscheidend. Sie kann nur ablaufen, wenn es zu den Silberionen einen Partner gibt. Das sind in der Regel Antioxidantien – so ist unsere Vermutung“, sagt Meyer. Da die Silbernanopartikel bräunlich gefärbt sind, zeigt sich das Ergebnis der Reaktion in Form dunkler Spuren, die stets an den Rändern der Zelle oder entlang von Mikrorissen verlaufen – dort, wo die gelösten Teilchen aus den Folien auf die Kontaktfinger der Solarzelle treffen.

Keine Ertragseinbußen durch die Verfärbung, wohl aber durch Zellrisse

Dass Schneckenspuren häufig dem Lauf von Zellrissen folgen, hatte frühzeitig die Vermutung nahegelegt, dass Mikrorisse die Bildung von Schneckenspuren bedingen. Eine Korrelation zwischen Mikrorissen und Schneckenspuren hatten das ISFH und das Fraunhofer ISE bereits 2011 festgestellt. Diese sehr feinen Risse in der Zelle sind gewöhnlich mit bloßem Auge nicht sichtbar sondern nur mit einer Elektrolumineszenzaufnahme (EL) . Und: Sie können sich negativ auf die Leistung des Moduls auswirken. Die Verfärbung auf der Zelloberfläche ist hingegen unbedenklich – auch das haben die CSP-Forscher wissenschaftlich bestätigt. „Physikalisch und mikrostrukturell gibt es keinen Grund, dass Schneckenspuren zu einer Leistungsreduzierung führen sollten. Die aktive Fläche auf der Zelle wird nicht verringert“, erklärt Meyer. Einzig die Mikrorisse könnten die Leistung der Zelle beeinträchtigen – wenn sie so verlaufen, dass sie Teile der Zelle isolieren und der dort erzeugte Strom nicht mehr über die Kontaktfinger zu den Stromsammelschienen abfließen kann. Zellrisse entstehen jedoch unabhängig von Schneckenspuren. Sie können die Verfärbung bedingen, aber umgedreht lösen Schneckenspuren keine Mikrorisse aus.

Da verschiedene Hersteller (und auch Anlagenbetreiber) Schneckenspuren als optischen Mangel einstufen, sind sie bestrebt, das Phänomen auszumerzen. Dazu bietet das Fraunhofer CSP seit Kurzem einen Test an. Er besteht in der Prüfung von Rückseiten- und Einkapselungsfolien. Diese werden auf die kritischen Verbindungen untersucht. „Wir wissen ja, welche Kombinationen zu einer Reaktion führen“, erläutert Meyer. Durch die Herstellung eines Laminats aus den zu untersuchenden Folien kann zweifelsfrei geklärt werden, ob bestimmte Materialien Schneckenspuren auslösen. Ein Test dauert ein bis zwei Wochen. Die Kosten liegen im niedrigen dreistelligen Eurobereich. In Anspruch genommen haben ihn bislang vor allem Folien- und Modulhersteller. Sollten Händler und Installateure Interesse an einer Prüfung haben, so rät ihnen die Forscherin, sich von den Herstellern Proben oder Reste von Folien geben zu lassen und diese dem CSP zu übergeben. Ein ganzes Modul zu testen, wäre möglich – aber aufwendig und wesentlich teurer.

Einzig Erholungseffekt noch unbewiesen

Aufgrund der Entwicklung des Tests ist anzunehmen, dass das Phänomen künftig nur noch selten oder gar nicht mehr auftreten wird. Neben den exakten chemischen Reaktionen im Modul bleibt damit nur noch eine weitere Frage ungeklärt: Anlagenbetreiber und auch Modulhersteller hatten in der Vergangenheit beobachtet, dass die Verfärbung in warmer, trockener Umgebung auch wieder zurückgehen kann. Das hat das Fraunhofer CSP nicht untersucht und kann es weder bestätigen noch widerlegen. Es besteht aber Interesse, dies zu erforschen. Dazu benötigte das Labor Proben, erklärt Meyer. Wer helfen möchte, die Frage noch zu klären, kann dem CSP ein Modul überlassen, bei dem ein Erholungseffekt schon aufgetreten ist.

Diskussion

    Autor: Ines Rutschmann » 14.12.2013, 12:19
    Veröffentlicht in: Forschung



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