Wenn im Labor die Sonne aufgeht
Zum Internationalen Tag des Lichts präsentiert die Physikalisch-Technische Bundesanstalt ihre hochwertige Ausstattung zur Leistungsmessung von Solarmodulen.
Ein Sonnensimulator höchster Güte steht in der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt in Braunschweig bereit, um Solarmodule auf Herz und Nieren zu prüfen: Wie viel Strom kann ein Modul unter verschiedensten Bedingungen erzeugen? Das sind wichtige Informationen für Herstellerfirmen und Käufer, denn wenige Prozente bei der Effizienz machen einen großen Unterschied im langfristigen Einsatz. Dabei geht es um viel Geld, aber auch um Akzeptanz und Vertrauen. Deshalb kommt der rundum erneuerte Sonnensimulator wie gerufen. Er überflügelt seinen Vorgänger in allen wichtigen Eigenschaften: Seine LEDs bieten mehr Spektralfarben, erzeugen ein gleichmäßigeres Lichtfeld und können größere Module ausleuchten.
„Bei der Photovoltaik geht der Trend zu größeren Modulen mit höheren Qualitätsanforderungen“, erklärt Stefan Riechelmann von der PTB. „Als nationales Metrologieinstitut haben wir deshalb einen Messstand entwickelt, der mit seinen Eigenschaften weltweit führend ist“. Schon heute sind etwa achtzig Prozent aller weltweit hergestellten Solarzellen auf die PTB zurückgeführt, weil die PTB schon lange höchstgenaue Kalibrierungen in diesem Bereich anbietet. Seit 2021 erweitert die PTB konsequent ihr Kalibrierangebot von einzelnen Solarzellen auf ganze Solarmodule und der neue Sonnensimulator ist das wichtigste Puzzlestück dieses Angebots.
„Die EU plant derzeit die Einführung von Energielabels ähnlich denen auf Kühlschränken oder anderen Elektrogeräten und wir sind mit unseren Messständen auf die steigende Nachfrage nach Kalibrierungen in diesem Bereich vorbereitet“, sagt Riechelmann und weist auf ein weiteres Extra hin: Der Sonnensimulator hat eine doppelseitige Lichtquelle, man kann mit ihm Vorder- und Rückseite eines Solarmoduls beleuchten. Das ist für neuerdings auf dem Markt erhältliche bifaziale Solarmodule nötig, die auch mit ihrer Rückseite Strom erzeugen können.
Das Sonnensimulator ist Teil des Kompetenzzentrums für Photovoltaik in der PTB, das eine rundum einmalige technische Infrastruktur für realitätsnahe Messungen mit höchster Genauigkeit bietet. Deshalb führt Riechelmann auch nahezu wöchentlich interessierte Gruppen durch das Kompetenzzentrum – von Studenten über Interessierte aus der Industrie bis zu Politikern. Ein weiteres Highlight bei solchen Führungen ist der neun Meter hohe Solarmodultubus, der auf Schienen aus der Halle gefahren und in verschiedenen Winkeln zur Sonne ausgerichtet werden kann. In ihm können Solarmodule montiert werden und – anders als im Labor – unter natürlichem Sonnenlicht gemessen werden.
Wenn Messwissenschaftler von Rückführung erzählen, ernten sie meist ratlose Blicke. Dabei ist Rückführung einer der Schlüsselbegriffe in der Metrologie, der Wissenschaft vom Messen. Erst durch Rückführung lassen sich verschiedene Messergebnisse, die womöglich mit unterschiedlichen Methoden ermittelt wurden, miteinander vergleichen. Für die Rückführung braucht man eine Art Goldstandard als Referenz. Für die Charakterisierung von Solarmodulen sind diejenigen Module, die mit dem Sonnensimulator in der PTB kalibriert wurden, die bestmögliche Referenz.
Diese Referenzmodule sind ihrerseits auf in der PTB kalibrierte Referenzsolarzellen – quasi das Urmeter der Photovoltaik – rückgeführt. Keine Solarmodule oder Solarzellen sind genauer messbar. Nun müssen sich die in der Praxis benutzten Module mit diesem Goldstandard vergleichen lassen: Inwieweit weicht ihr Ergebnis davon ab? Um diese Abweichung müssen ihre Messwerte dann korrigiert werden. Alle Module, die, eventuell auch über mehrere Zwischenschritte, mit dem Referenzmodul verglichen wurden, gelten als rückgeführt und sind miteinander vergleichbar und aussagekräftig.
Mit dem „Internationalen Tag des Lichts“ lenkt die UNESCO jedes Jahr am 16. Mai die Aufmerksamkeit auf Forschung und Wissenschaft im Zusammenhang mit Licht sowie auf lichtbasierte Technologien, die unser Leben und Wissen in vielen Bereichen „erleuchten“. Der 16. Mai entspricht dem Tag, an dem 1960 der Ingenieur und Physiker Theodore H. Maiman in Malibu erstmalig erfolgreich einen Laser einsetzte.
PTB / RK
