Um die Lebensdauererwartung und den Langzeiteffekt auf die spektrale Veränderung von LEDs nachzuweisen, wird eine LED-Lichtquelle des MBJ Sonnensimulators derzeit einem beschleunigten Lebensdauertest unterzogen. Bislang zeigt der Zähler 12 Mio. Blitze mit einer Zykluszeit von 2,7 s, einer Blitzdauer von 195 ms und keiner Änderung der LED-Einstellungen.

Die Abbildung zeigt die Ergebnisse nach 12 Millionen Blitzen, was einem Betrieb von ca. 8 Jahren in der Modulproduktion mit einem Produktionstakt von 3 Modulen in der Minute entspricht. Die spektrale Übereinstimmung in allen Wellenlängenbereichen ist sehr stabil und liegt immer noch sehr gut innerhalb der von der Norm IEC 60904-9 Ed.3  geforderten Bedingung für einen Klasse A+ Sonnensimulator von 0,875 (blaue Linie) bis 1,125 (rote Linie).

Während dieser Zeit ist es also nicht notwendig, die LED-Lichtquelle zu wechseln. Das bedeutet eine wirkliche große Einsparung in den Wartungskosten und bei den Stillstandszeiten die ein Lampentausch mit sich bringt!

Im Vergleich dazu ist die Lebensdauer der Xenon-Lampen viel kürzer. Es wird empfohlen, Xenon-Lampen in einem Sonnensimulator nach 100.000 Blitzen auszutauschen. Selbst wenn man davon ausgeht, dass in der Produktion ein Lampenaustausch erst nach 300.000 Blitzen erfolgt, entspricht die Lebensdauer nur ~69 Tagen. (Sofern die spektrale Übereinstimmung überhaupt noch innerhalb der Normgrenzen liegt)

Ein typischer Xenon Sonnensimulator für große Modultypen verwendet 4 Xenon Blitzröhren gleichzeitig. Das bedeutet, dass über eine Zeitspanne von 10 Jahren etwa 240 Xenon-Blitzröhren benötigt werden.

Durch die deutlich längere Lebensdauer, weniger Wartungskosten für die Hardware und weniger Ausfallzeiten für die Wartung amortisiert sich die Investition eines MBJ LED Sonnensimulators in wenigen Jahren.

Wie ist diese Zeitersparnis möglich?

Die Messung wird jetzt während des Transportes in die Maschine auf dem bewegten Modul durchgeführt. Durch die Verwendung einer separaten Kameraeinheit und eigener Beleuchtung ist die EL Bildaufnahme und die Bildaufnahme für die Zellvermessung zeitlich getrennt. Dadurch entfallen alle Zeiten, die vorher durch die zusätzlichen Kameraaufnahmen angefallen sind. Dies sorgt für eine erhebliche Zeitersparnis.

Durch die neue Position der Kameraeinheit vor dem System, in der Lücke zwischen MBJ Transportband und vorgelagertem Transportband, werden zusätzlich sämtliche Abschattungen, z.B. durch die Auflage auf dem Transportband oder durch die Kontaktierung, vermieden und das Modul kann vollflächig ohne Einschränkungen vermessen werden. 

Die Zellvermessung arbeitet im Durchlicht mit einer diffusen Beleuchtung, die direkt durch das Modul in die darunter befindlichen Kameras leuchtet. Die Beleuchtung ist 2,7 m lang und 0,7 m breit und wurde als kundenspezifische Beleuchtung bei der Firma MBJ Imaging in Auftrag gegeben.

Um das gesamte Solarmodul vollflächig während der Bewegung vermessen zu können, werden in schneller Folge viele Teilbilder des Solarmodules aufgenommen. Die aufgenommenen Bilder werden direkt in die Software übertragen und ausgewertet. Die Anzahl der Kameras hängt von der Länge des zu inspizierenden Solarmoduls ab.

In der Software erscheinen die Zellen und Lötbändchen dann dunkel vor hellem Hintergrund und können vermessen werden. Hierbei werden nicht nur Zellabstände sondern auch Abstände zu den Glaskanten und innerhalb der Querverschaltung gemessen. Außerdem kann das System Ausbrüche an den Zellkanten und Fremdkörper zwischen den Zellen erkennen.

Die neue Lösung basiert auf einem Vorschlag aus der VDE Vorschrift PM 434 vom 12.07.2006. Dort wird Folgendes vorgeschlagen: „Wenn die Module keinen Metallrahmen besitzen, sollte die Isolationsprüfung mit einem leitfähigen Ersatzrahmen oder ähnlichem, der an allen Kanten des Moduls anliegt, durchgeführt werden.“

In Anlehnung daran wurden die Kontaktleisten zum Kontaktieren der Seitenränder rahmenloser Module in Form jeweils einer durchgehenden und starren Metallleiste ausgeführt, da diese Ausführung nach unserer Einschätzung nicht mehr durch das strittige Patent abgedeckt ist.

Eine ausreichend gute Kontaktierung der Glaskante wird durch die gefederte Lagerung der starren Leisten ebenfalls erreicht. Dabei ist aber zu beachten, dass überstehende Reste des Einkapselungsmaterials das Ergebnis negativ beeinflussen könnten. Naheliegend wäre, dieses Problem durch Kontaktfedern (siehe auch https://hollandshielding.com/Door-fingerstrips-spring-contacts) oder durch Aufbringen eins elastischen leitfähigen Materials (siehe auch https://hollandshielding.com/Electrically-conductive-foam) zu lösen.

Derartige Lösungen sind aber durch das Patent innerhalb Deutschlands geschützt. In der aktuellen Ausführung des Patents findet sich zu der Gestaltung im Absatz [0023] des Patents folgende Beschreibung und Erläuterung:

[…] Durch die Verwendung derartiger Materialien wird sichergestellt, daß das Kontaktelement bei einer mechanischen Kontaktierung des Photovoltaikmoduls durch Anpressen des Kontaktrahmens bzw. des Kontaktstempels elastisch genug ist, um eine mechanische Beschädigung des Photovoltaikmoduls zu vermeiden, gleichzeitig jedoch eine hinreichend elektrische Kontaktierung gewährleistet ist. Anstelle dieser Materialien können auch herkömmliche metallene Kontaktbleche oder Kontaktfolien zum Einsatz kommen, wobei diese dann vorteilhafterweise in geeigneter Art und Weise gefedert bzw. federnd gelagert sind, um das vergleichsweise empfindliche Modul bei dem Kontaktierungsvorgang nicht zu beschädigen.

Da es sich bei dem Patent um ein deutsches Patent handelt, wäre es theoretisch möglich gewesen, dass man außerhalb Deutschlands unsere Systeme mit Kontaktfedern nachrüstet, innerhalb Deutschlands ist dies jedoch in keinem Fall möglich.

Wir haben uns daher dazu entschlossen, eine prozesssichere Lösung mittels eines Kamerasystems anzubieten. Unser Inspektionssystem überprüft das Modul im Durchlichtverfahren während des Beladens in die MBJ Backend Solution (Kombination aus Elektrolumineszenz, Isolationstest und Sonnensimulator).

Mit diesem zusätzlichen Kamerasystem können die Zellabstände gemessen, Fremdkörper detektiert und ausgebrochene Zellen erkannt werden. Außerdem können in diesem Zuge die Glaskanten auf Ausbrüche und auf evtl. überstehende Reste aus dem Laminierungsprozess geprüft werden. Somit können wir eine prozesssichere Isolationsprüfung anbieten, die nach unserer Einschätzung nicht in den Schutzbereich des bestehenden deutschen Patents eingreift.

Weitere Informationen zu unseren Inspektionssystemen für die PV Industrie finden Sie im Web in unserer Produktübersicht.

Andere Grundvoraussetzungen sind z.B. ein deutlich anderes Zellformat, ein deutlich unterschiedliches Aussehen des Zellmateriales, deutliche Änderungen der Position von Busbars oder neue Elemente im Bild die keine Fehler sind.

Dazu werden Daten mit derselben Grundvoraussetzung und markierten Fehlern zusammen mit den Daten einer anderen Grundvoraussetzung, aber ohne markierte Fehler, zum Anlernen eines neuronalen Netzes verwendet. Es ergibt sich ein Neuronales Netz, welches dazu in der Lage ist Fehler auf Datensätzen unterschiedlicher Grundvoraussetzungen zu segmentieren, ohne dieses vorher auf alle Datensätze anzutrainieren.

Für das Detektieren von Fehlern auf Solarzellen bringt das neue Verfahren eine deutliche Vereinfachung und Zeitersparnis für die Anpassung eines neuronalen Netzes an neue oder veränderte Zelltypen oder Bildausschnitte.

Wir freuen uns sehr über diese Auszeichnung und gratulieren Hr. Joya herzlich zu diesem großartigen Erfolg. Wir sind sehr froh Dich in unserem Team zu haben!

Die Bachelorarbeit erstellte Hr. Joya in Zusammenarbeit mit der MBJ Solutions und der der Hochschule für angewandte Wissenschaften Hamburg (HAW). Betreut wurde er von Herrn Dr. rer. nat. Dieter Lorenz (MBJ) und Herrn Prof. Dr. Jörg Dahlkemper (HAW).

Der Folkusfinderpreis der Innitiative Bildverabeitung e.V der FH Westküste wird jedes Jahr für die besten Dissertationen und Studienabschlussarbeiten in der Bildverarbeitung in den Ländern Schleswig-Holstein und Hamburg in drei Kategorien vergeben. Er zeichnet herausragende praxisrelevante Leistungen von Absolventinnen und Absolventen aus, die Ihre Arbeiten bei Unternehmen oder Hochschulen aus der Region erstellt haben. Überreicht wurde der Preis von  Niklas Kröger von der Firma Allied Vision Technologies GmbH.

Ein komplettes Re-Design macht dieses System zukunftssicher, unabhängiger und kostengünstiger. Zukunftssicher durch die Vergrößerung der aktiven Fläche für Module bis zu einer Größe von 1400 mm x 2700 mm.

Unabhängiger durch die Kombination von Sonnensimulator und Elektrolumineszenztester in einem System, welches sich leicht in einen Transporter wie den Mercedes Sprinter oder in einen Anhänger integrieren lässt. Beim Einbau unterstützen wir Sie auf Wunsch.

Dabei bleibt die Inspektionsleistung auf bekannt hohem Niveau mit dem TÜV zertifizierten A+A+A+ LED Sonnensimulator nach IEC 606904-9 Ed.3, einem hochauflösenden Elektrolumineszenztester, Diodentest und Verbindungsprüfung. Die Ergebnisse werden auf dem System eigenen Laptop gespeichert und können von der Software in einem Gesamtreport im PDF Format exportiert werden.

Das ebenfalls neue MBJ Mini Lab beinhaltet dieselben Komponenten wie das Mobile Lab 5.0, den A+A+A+ LED Sonnensimulator und den EL-Tester, ist aber eher für den stationären Einsatz vor Ort konzipiert. Integriert in einen Container ist das System transportabel und damit ideal für die Eingangsprüfung von Modulen beim Aufbau von großen Solarparks. Das System eignet sich aber auch sehr gut für Labore und Universitäten als stationäres System.

Der vertikale Aufbau vereinfacht das Handling der Module. Über einen Rollengang können die Module nach der Leistungsmessung einfach zur EL Aufnahme geschoben werden. Auch hier steht über die MBJ Software ein umfangreiches Tool zur Bedienung des Systems zur Verfügung.

Weitere Informationen finden Sie auf unserer Webseite www.mbj-solutions.com, dort können Sie auch die Produktflyer der Systeme MBJ Mobile Lab 5.0 und MBJ Mini Lab herunterladen.

Nach kurzer Einarbeitungsphase der entsprechenden Mitarbeiter und Hochschullehrer steht der Sonnensimulator sowohl für Forschungsaufgaben als auch für die Lehre zur Verfügung. Sowohl im Bereich der Software als auch Hardware überzeugt der LED-Sonnensimulator auf ganzer Linie. Die Softwareumgebung überzeugt durch hohe Stabilität und Laufsicherheit und erlaubt schon nach sehr kurzer Einarbeitungszeit eine nahezu intuitive Bedienung. Gerade für den Umgang in der Lehre, zum Beispiel in studentischen Praktikumsversuchen, ist dies ein wichtiges Kriterium bei der Auswahl.

Nach durchgeführter Kalibrierung überzeugt der Sonnensimulator von MBJ Solutions vor allem durch ein extrem stabiles Lichtspektrum, welches tatsächlich eine erneute Kalibrierung selbst nach Neustart des Systems über viele Tage und Wochen fast schon unnötig macht. Da der Sonnensimulator an der Westfälischen Hochschule nicht im täglichen Einsatz ist, sondern eher projekt- und lehrbezogen Verwendung findet, wird bei der regelmäßig nach Neustart durchgeführten Kalibrierung stets festgestellt, dass sich lediglich minimale, nahezu nicht messbare, Unterschiede ergeben.

In einer größer angelegten Studie innerhalb einer Bachelorarbeit wurde das System für die Bestimmung der Degradation von Solarmodulen verwendet, welche an der Hochschule in unterschiedlichen Installationen seit bereits 11-20 Jahren in Betrieb sind. Die Vermessung der kristallinen-, der Dünnschicht- und der Heterojunctionmodule gestaltete sich hierbei selbst für im Umgang mit dem MBJ-Messsystem relativ unerfahrene Studierende nach kurzer Einarbeitungsphase als problemlos. Die Arbeit konnte abschließend mit der Bestnote bewertet werden.

Der Aufbau des Sonnensimulators ist durch die innovative LED-Beleuchtung sehr platzsparend ausgelegt und benötigt kaum mehr Fläche als die zu vermessenden Solarmodule. Dies kommt dem ohnehin nur geringen Platzangebot von Laborbereichen an deutschen Hochschulen sehr entgegen. Eine vertikale oder horizontale Aufständerung über 4 m, wie diese bei den Xenon-Lampen-Simulatoren noch nötig war, wäre hier ein Ausschließungskriterium gewesen.

Als Fazit kann dem MBJ Sun Simulator lab eine sehr hohe Qualität bei der technischen Umsetzung und ebenso eine sehr hohe Lichtstabilität testiert werden. Der einfache und robuste Aufbau ist ideal für die Arbeit in Forschung und Lehre bei auch schnell wechselndem Bedienpersonal geeignet.

Wir bedanken uns recht herzlich bei Prof. Dr. Andreas Schneider und seinen Studierenden für diesen durchweg positiven Erfahrungsbericht zu unserem System und wünschen Ihnen weiterhin viel Erfolg für Forschung und Lehre.

Wie funktioniert es?

MBJ Solutions stellt ein vortrainiertes neuronales Netzwerk zur Verfügung, mit dem typische Fehler wie Mikrorisse, dunkle Bereiche und Lötfehler sicher erkannt und klassifiziert werden.

Warum ist es besser?

Neuronale Netze erkennen die Defekte besser und reduzieren gleichzeitig die Pseudofehlerrate erheblich.

Bemerkenswert ist, dass die künstliche Intelligenz sehr robust gegenüber Variationen im Zellmaterial ist. Die aufwändige und fehleranfällige Optimierung der Bildverarbeitungsparameter entfällt vollständig. Für eine Optimierung sind lediglich einige weitere Beispielbilder notwendig. 

Im Gegensatz zur klassischen Bildverarbeitung kann die künstliche Intelligenz mit wenig Aufwand um weitere Defektklassen nach Kundenanforderungen erweitert werden. Schon wenige Beispielbilder genügen, um eine neue Defektklasse anzulegen.

Der Kunde stellt einen Beispielkatalog von Bildern im niedrigen zweistelligen Bereich nach seinen Anforderungen zusammen. Er markiert in diesen Bildern die Defekte. Ein neuronales Netz wird auf diese Beispiele optimiert und das erlernte Netz kann im Kundensystem verwendet werden.

Was sagt der Kunde?

Jun Hong, Process Engineer der REC Gruppe: “Die Auswertesoftware von MBJ hat sich durch den Einsatz von Deep Learning nochmals erheblich verbessert. Vor allem die automatische Smart Wire-Erkennung und Kontrolle auf Basis des Deep Learning ist eine wirklich hilfreiche Funktion.”

Ing. Rene Battistutti, CEO bei Energetica, Österreich: “In einer Industrie 4.0 Zero-Emission-Fabrik benötigen wir den höchsten Automatisierungsgrad der technisch möglich ist. Mit der von MBJ entwickelten künstlichen Intelligenz bei den EL-Testern sind wir in der Lage objektiv ohne menschliche Kompromisse die Qualität unserer Produkte zu beurteilen. Dies ermöglicht uns höchste Prozessstabilität bei geringstem Personaleinsatz.“

Für einen einheitlichen Marktauftritt werden wir die Webseite der MBJ Services GmbH zum 01.05.2021 auf die Webseite der MBJ Solutions GmbH verlinken und dort die Produktinformation in einer eigenen Produktrubrik wie gewohnt weiterführen. Damit wird sich auch die ehemals grüne „Firmenfarbe“ in das blau der MBJ Solutions GmbH ändern.

Durch den Zusammenschluss der beiden Firmen erhoffen wir uns Synergien in Produktentwicklung, Fertigung und damit auch in der Möglichkeit die Preise für unsere Kunden noch attraktiver zu gestalten. Durch die von Anfang an bestehende Nähe der Produkte beider Firmen sind wir davon überzeugt das sich dieser Schritt auch langfristig als Vorteil erweisen wird.

Wir freuen uns auf die weitere erfolgreiche Zusammenarbeit mit Ihnen und sind auch in Zukunft wie gewohnt mit innovativen Lösungen in der Solarindustrie für Sie da.

Mit dem System ist TÜV Rheinland in der Lage, die Prüfung von Solarmodulen nach entsprechenden IEC-Normen vor Ort durchzuführen: zum Beispiel bei der Anlieferung der PV-Module im Hafen, kurz vor der Installation auf der Baustelle als Eingangskontrolle oder in bestehenden Solarparks zur Analyse von Problemmodulen. Das PV TravelLab ist für den Test von 150 bis 200 PV-Module am Tag ausgerichtet. Die Untersuchungsergebnisse stehen direkt nach der Prüfung zur Verfügung. Qualitätsprobleme können damit frühzeitig erkannt werden. Aufwendige Modul-Transporte entfallen zudem und die Stichprobengröße kann erhöht werden.

„Als Technologieführer im Bereich von PV-Modultests haben wir sehr hohe Anforderungen an unsere Projektpartner. Mit MBJ haben wir eine zuverlässige und kompetente Firma zur Realisierung unserer herausfordernden Spezifikationen gefunden“ sagt Dr. Werner Herrmann, Seniorexperte PV Power Plants bei TÜV Rheinland.

Messtechnologie State of the Art

Das PV TravelLab vereint die neuesten Messtechnologien für Solarmodule, die derzeit am Markt verfügbar sind. Die nach IEC 60904-9 Ed.3 zertifizierte A+A+A+ LED Lichtquelle sorgt für Leistungsmessungen mit sehr geringer Messunsicherheit, auch bei neuen PV Modul-Technologien. Mit einem Messbereich von 0-250V und 0-20A können sowohl hocheffiziente kristalline PV-Module, wie auch Dünnschichtmodule gemessen werden. Hochkapazitive PV Module mit PERC- oder Heterojunction (HJT) -Solarzellen werden auf Basis des von TÜV Rheinland patentierten „Dynamic I-V“ Verfahrens geprüft. Dieses Verfahren eliminiert die sonst typischen Messartefakte bei diesen Solarmodultypen. Auch eine Bypassdiodenprüfung ist mit dem PV TravelLab möglich.

Für die Elektrolumineszenz (EL) -Messung wird das PV Modul in dem auf Rollen gelagerten Messrahmen über die EL-Kameras geschoben. Zwei 5 Megapixel Kameras erzeugen ein Gesamtmodulbild, in dem sich Zellrisse oder Zellabbrüche schnell finden lassen. Auch Probleme in der Verbindung von Zellen oder eine induzierte Degradation wie PID oder LeTID lassen sich in dem Bild erkennen. Sogar eine EL-Analyse bei 10% des nominalen Kurzschlussstroms sind mit den empfindlichen Kameras möglich.

Das System beinhaltet einen Rechner, über den die Hardware gesteuert wird und auf dem die Auswertesoftware autonom läuft. Die Daten stehen damit bereits vor Ort für eine detaillierte Auswertung zur Verfügung. Einzige Voraussetzung: Vor Ort wird zusätzlich ein abdunkelbarer Prüfraum benötigt, beispielsweise ein leerer Fracht- oder Bürocontainer.

Über TÜV Rheinland

Sicherheit und Qualität in fast allen Wirtschafts- und Lebensbereichen: Dafür steht TÜV Rheinland. Mit 21.500 Mitarbeiterinnen und Mitarbeitern und einem Jahresumsatz von 2,1 Milliarden Euro zählt das vor rund 150 Jahren gegründete Unternehmen zu den weltweit führenden Prüfdienstleistern. Die hoch qualifizierten Expertinnen und Experten von TÜV Rheinland prüfen rund um den Globus technische Anlagen und Produkte, begleiten Innnovationen in Technik und Wirtschaft, trainieren Menschen in zahlreichen Berufen und zertifizieren Managementsysteme nach internationalen Standards. Damit sorgen die unabhängigen Fachleute für Vertrauen entlang globaler Warenströme und Wertschöpfungsketten. Seit 2006 ist TÜV Rheinland Mitglied im Global Compact der Vereinten Nationen für mehr Nachhaltigkeit und gegen Korruption.

Website: www.tuv.com