Analyse der Verlust-und Gewinnmechanismen für kristalline ......© Fraunhofer ISE Analyse der...

© Fraunhofer ISE

Analyse der Verlust-und

Gewinnmechanismen für kristalline PV-

Module

Ingrid Hädrich, Ulrich Eitner, Martin

Wiese, Harry Wirth

Fraunhofer Institut für Solare

Energiesysteme ISE

TÜV Modulworkshop

Köln, 11. November 2014

www.ise.fraunhofer.de

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2

Zuverlässigkeitstests

Materialanalyse

Testlab PV Module

Ertragsnachweise

Kraftwerksinspektion

und -prüfung

Überwachung

CalLab PV Module

Verbindungs-

technologie

Moduleffizienz und

neue Konzepte

Module Technology

Center (MTC)

Modultechnologie

Dr. Ulrich Eitner

Schadensanalytik und

Umweltsimulation

Qualitätssicherung PV-

Module und Systeme

Einleitung

Abt. Photovoltaische Module, Systeme und

Zuverlässigkeit

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3

Einleitung

Arbeitsgebiete und Themenbereiche

niederkonzentrierende PV

Leichtbaumodule

systemintegrierte Module

PV-Thermische Kollektoren (direkt laminiert)

gebäudeintegrierte PV unter Einsatz

innovativer Materialien aus der Bauindustrie

LowCon-Reciever mit MWT Modul für Systemintegration Modul für Systemintegration

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4

Einleitung

Bestimmung des Zelle-zu-Modul Faktors aus

Messungen

CTM = Cell to Module Ratio

Beschreibt alle Effekte, welche

durch Verlötung und Einbettung

der Zellen entstehen

CTM Faktoren werden bei

Standard Test Bedingungen (STC)

angegeben

Wenn die CTM-Kennzahl

gemessen wird, ist es notwendig

eine einheitliche “Sprache” zu

Verwenden.

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5

Einleitung

Bestimmung des Zelle-zu-Modul Faktors aus

Messungen

CTM-Faktoren werden beschrieben als:

absoluter Wert

relativer Wert

CTM-Faktoren können zusätzlich angegeben werden für den:

Füllfaktor elektrische Verluste

Kurzschlussstrom optische Gewinne oder Verluste

Leistung Effizienz

Verhältnis:

(relativ)

Differenz:

(absolut)

Zelle

Modul

P

P1[%]PowerCTM

P-P][ ZelleModul WattCTM Power

Zelle

Modul 1[%]

EffizienzCTM

-[%] ZelleModul EffizienzCTM

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6

Einleitung

Motivation

kommerzielle Zelleffizienzen von über 20

%

kommerzielle Moduleffizienzen im Bereich

von 16 – 19%

Zelle-zu-Modul Verhältnisse werden selten

im Detail veröffentlicht

innovative Modultechnologien machen

Verschaltung zu einem Teil der

Zellentwicklung (z.B. Multi-Wire)

Verkapselung hat einen starken Einfluss

auf die optischen Eigenschaften, was bei

der Zellentwicklung berücksichtigt werden

sollte

Hauptziel: Übertragung der Zelleffizienz auf die Modulebene

Multi-Wire

Verbindungstechnologie

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7

Einleitung

Zielsetzung

Überblick über CTM-Effekte

einfache Methodik für die Analyse eines

bestimmten Modul Set-Ups, basierend auf einer

Reihe von einfachen Messungen

Darstellung der Spannbreiten von

Leistungsgewinnen oder –verlusten im Bezug auf

die jeweiligen Gewinn- und Verlustmechanismen

datasheet Sanyo HIT-N235SE10

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8

-11.3-3.3 -0.1 -3.5 -5.4 -8.3

-0.0

265.0

11.31

3.30 0.08 3.455.40

8.280.017.03

0.27 0.54 3.93

285.0

sum

cell p

ower

glas

s re

flection

(1)

glas

s ab

sorp

tion

(2)

refle

ction

glas

s/en

cap

(3)

enca

psulan

t abs

. (4)

shad

ing

of ri

bbon

(5)

coup

ling

cell su

rface

(6)

coup

ling

finge

r (7)

coup

ling

inte

rcon

.(8)

coup

l. ba

cksh

eet (

9)

cell inte

rcon

nection

(10)

strin

g inte

rcon

nection

(11)

mod

ule

power

230

240

250

260

270

280

290

300

po

we

r [W

]

gains

losses

Einleitung

Überblick über Leistungsgewinne und -verluste

Optische

Verluste

Optische

Gewinne

0.6

Elektrische

Verluste

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9

Einleitung

Überblick über Effizienzgewinne und -verluste

0.00

-1.79

-0.72 -0.69-0.20 -0.00 -0.21 -0.32 -0.51

-0.04

16.22

0.00

1.79

0.72

0.690.20 0.00 0.21

0.320.51

0.04

0.00

0.210.32 0.02 0.27

19.89

cell ef

ficienc

y STC

mod

ule

bord

er a

rea

(1)

cell sp

acing

area

(2)

glas

s re

flection

(3)

glas

s ab

sorp

tion

(4)

refle

ction

glas

s/en

cap

(5)

enca

psulan

t abs

. (6)

shad

ing

of ri

bbon

(7)

coup

ling

AR (8

)

coup

ling

finge

r (9)

coup

ling

inte

rcon

. (10

)

coup

l. ba

cksh

eet (

11)

cell inte

rcon

nection

(12)

strin

g inte

rcon

nection

(13)

mod

ule

effic

ienc

y STC

15

16

17

18

19

20

21

22

effic

ien

cy [%

]

gains

losses

Inaktive

Flächen

Optische Verluste Optische Gewinne Elek-

trische

Verluste

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10

Funktionsweise des Kalkulationsmodells

Leistungsberechnung

][]2[]1[mod ... jcell kkknPP

Gewinnrelativer :1

Verlustrelativer :1

tor/Gewinnfak-Verluster ...relativ

i

i

i

k

k

k

1P

2P

0P

Glason ...Reflexik[1]

Glasion ...Absorptk[2]

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11

-11.3-3.3 -0.1 -3.5 -5.4 -8.3

-0.0

265.0

11.31

3.30 0.08 3.455.40

8.280.017.03

0.27 0.54 3.93

285.0

sum

cell p

ower

glas

s re

flection

(1)

glas

s ab

sorp

tion

(2)

refle

ction

glas

s/en

cap

(3)

enca

psulan

t abs

. (4)

shad

ing

of ri

bbon

(5)

coup

ling

cell su

rface

(6)

coup

ling

finge

r (7)

coup

ling

inte

rcon

.(8)

coup

l. ba

cksh

eet (

9)

cell inte

rcon

nection

(10)

strin

g inte

rcon

nection

(11)

mod

ule

power

230

240

250

260

270

280

290

300

po

we

r [W

]

gains

losses


Optische

Verluste

0.6

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12

Optische Gewinne und Verluste (1) bis (9)

Überblick

In abgeänderter Form von:

McIntosh et al., 2009, 34th PVSC IEEE, pp. 544 - 549

Glass

Encapsulant

Encapsulant

Cell

Backsheet

2

1

3 4

9

6 7 5 8

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13

Effektiver Reflektionsgrad und Absorbtionsverluste (1) –

(4)

Bestimmung der Materialparameter

r

n0=1

n1

R01

R10 R10

R01 R01

T10

T10 T10

T01

T10

T10 n0=1

tbulk

d1

t Abb.: Transmission durch eine schlichte komplanare Schicht eines vertikal

eingestrahlten Lichtstrahls

FTIR-Spektroskopie eines

Materials gegen die Luft

Glas (nicht texturiert,

unbeschichtet)

Laminierte

Verkapselung mit

glatter Oberfläche

tbulk=1- abulk

S. Krauter, Köster Verlag Berlin 1993. ISBN 3-929937-41-7

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14


(4)

Beispiel – Glasverluste (3) + (4)

Abb.: Gemessener und berechneter spektraler

Reflexionsgrad des Glases bezogen auf die

Sonnenspektren AM1.5 und die spektrale Empfindlichkeit

einer Solarzelle

300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 12000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

no

rma

lize

d v

alu

es [ ]

wavelength [nm]

IAM1.5

SRcell

Rglass

01

aglass

bulk

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15


(4) Beispiele für die Absorbtionsverluste der Verkapselung

(4)

Abb.: Effektive Absorbtion und absoluter Energieverlust

EVA A

EVA B

*

EVA C

Silico

ne

PVB

PO

PO*

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

1.8

2.0

aencap

bulk

P[4]

bulk

absorb

ance a

enca

p

bulk

[%

]0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

pow

er

loss

P[4

] [W

]

A B C D E F G

A B C D E F G

1.67 2.38

4.95

13.56

26.15

300 350 400 450 5000

5

10

15

20

25

30

pow

er

loss [W

]

wavelength [nm]

power loss

Abb.: Theoretischer absoluter Energieverlust mit

wachsendem UV- Cutoff

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16

Abschattung des Frontbusbars (5)

Ursache: Silbereinsparung in der Zellmetallisierung

Verringerung der Abschattung auf Zellebene

erhöhte Zelleffizienz, die nicht auf die Modulebene

übertragen werden kann

abhängig von der exakten Geometrie der Busbars

und der Zelle, relative Leistungsverluste zwischen

1,9 und 2,4%

oben: Datenblatt QCells, Q6LXP3-G2

unten: Datenblatt JA Solar, JACM6SR-3

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17

-11.3-3.3 -0.1 -3.5 -5.4 -8.3

-0.0

265.0

11.31

3.30 0.08 3.455.40

8.280.017.03

0.27 0.54 3.93

285.0

sum

cell p

ower

glas

s re

flection

(1)

glas

s ab

sorp

tion

(2)

refle

ction

glas

s/en

cap

(3)

enca

psulan

t abs

. (4)

shad

ing

of ri

bbon

(5)

coup

ling

cell su

rface

(6)

coup

ling

finge

r (7)

coup

ling

inte

rcon

.(8)

coup

l. ba

cksh

eet (

9)

cell inte

rcon

nection

(10)

strin

g inte

rcon

nection

(11)

mod

ule

power

230

240

250

260

270

280

290

300

po

we

r [W

]

gains

losses


Optische

Verluste

Optische

Gewinne

0.6

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18


Optische Gewinne (6) bis (9)

In abgeänderter Form aus:


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19

Ertrag aus Lichtkopplung an Zelloberfläche (6) – (8)

Messaufbau Kopplungsgewinn

Isc

Die kontaktierte Solarzelle wird gegen Luft

und Eingekapselung vermessen (ohne

Glas)

cell

6 7 8

finger ribbon

encapsulant

cell

Backsheet

6 7 8

*berechnet für die Schnittstelle Luft/ Verkapselung

**Absorbtionsverluste des rückreflektierten Lichtes in der Verkapselung sind nicht

miteinbezogen

Isc umfassst:

Reflexionsgrad an Verkapselung

Absorbtionsgrad an Verkapselung

Direkte Lichtkopplung durch

Anpassung des Brechungsindex an

Zelloberfläche

Indirekte Lichtkopplung **

der Zelloberfläche

der Metallisierung der Finger

des Bändchens

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20



Isc

Die kontaktierte Solarzelle wird gegen Luft

und Eingekapselung vermessen (ohne

Glas)

cell

6 7 8

finger ribbon

encapsulant

cell

Backsheet

6 7 8



miteinbezogen

Isc umfassst:

Reflexionsgrad an Verkapselung

Absorbtionsgrad an Verkapselung

Direkte Lichtkopplung durch

Anpassung des Brechungsindex an

Zelloberfläche

Indirekte Lichtkopplung **

der Zelloberfläche

der Metallisierung der Finger

des Bändchens

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21


Variation der Lichtkopplung für verschiedene

Zelloberflächen

Lichtkopplung hängt stark von der

Qualität der Zelltextur und von der

Beschichtung ab

Je niedriger der Reflexionsgrad an

der Zelloberfläche

desto höher die anfängliche Effizienz

desto niedriger der Kopplungsertrag

Abb.: prozentuale Veränderung des Kurzschlussstroms für gekennzeichnete Zellen,

eingekapselt mit standard EVA, einem eisenarmen Glas mit Antireflextionbeschichtung

und schwarzem Backsheet

poly, S

iNx

UM

G, S

iNx

mon

o, S

iNx

mon

o, sel

ectiv

e em

itter

, SiN

x

mon

o, sel

ectiv

e em

itter

, SiN

x/SiO

x

mon

o, sel

ectiv

e em

itter

type

2

mon

o, sel

evtiv

e em

itter

type

3

mon

o, IB

C, S

iNx/SiO

x

-4.0

-2.0

0.0

2.0

4.0

6.0

(Isc,e

ncap -

Isc,a

ir)

/ Is

c,a

ir [%

]

measurement value

mean value

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22





miteinbezogen

Rib 5 std Rib 6 Effektive Breite (EW) der

Zelleverbinder oder Finger gibt an,

wieviel des einfallenden Lichtes

zurück auf die Zelle reflektiert

werden kann

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23





miteinbezogen

Effektive Breite (EW) der

Zelleverbinder oder Finger gibt an,

wieviel des einfallenden Lichtes

zurück auf die Zelle reflektiert

werden kann

R. Woehl et al. 2008

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25

Lichtkopplung aus der Zellumgebung (9)

Reflektion des Backsheets und Veränderung beim Isc

only small direct reflection of

backsheets observed

Abb.: global-hemisphärischer und diffuser Reflektionsgrad für

verschiedene Backsheet-Materialien

Abb.: gemessener Anstieg im Zellstrom bei wachsender Entfernung für

verschiedene reflektierende Rückseitenmaterialien

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

reflecta

nce [%

]

wavelength [nm]

backsheet 1_global

backsheet 1_diffuse

backsheet 2_global

backsheet 2_diffuse

backsheet 3_global

backsheet 3_diffuse

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26


Reflektion des Backsheets und Veränderung beim Isc

only small direct reflection of

backsheets observed

Abb.: global-hemisphärischer und diffuser Reflektionsgrad für


Abb.: gemessener Anstieg im Zellstrom bei wachsender Entfernung für

verschiedene reflektierende Rückseitenmaterialien

300

400

500

600

700

800

900

1000

1100

1200

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

reflecta

nce [%

]

wavelength [nm]

backsheet 1_global

backsheet 1_diffuse

backsheet 2_global

backsheet 2_diffuse

backsheet 3_global

backsheet 3_diffuse

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 220.0

1.0

2.0

3.0

4.0

5.0

6.0

7.0

8.0

(Isc,n

mm-I

sc,0

mm)/

I sc,0

mm [

%]

cell distance [mm]

backsheet 1

backsheet 2

backsheet 3

white EVA

Modell ExpAssoc

Gleichung y = y0 + A1*(1 - exp(-x/t1)) + A2*(1 - exp(-x/t2))

Chi-Quadr Reduziert 4.08609E-6

Kor. R-Quadrat 0.9916

Wert Standardfehler

Isovoltaic 3554 y0 5.9457E-4 0.00202

Isovoltaic 3554 A1 0.03126 0.27505

Isovoltaic 3554 t1 3.9036 18.08674

Isovoltaic 3554 A2 0.05641 0.33421

Isovoltaic 3554 t2 25.41853 574.0541

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27


Reflektion des Backsheets

Abb.: Nomenklatur für Kantenlängen an der Zelle entlang

),,,( backsheet]9[]9[ scIegkk r

backsheet 1 backsheet 2 backsheet 350

60

70

80

90

100 R

backsheet

01

power gain

refle

cta

nce

[ ]

0

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

po

wer

ga

in [

W]

Abb.: Reflektionsgrad und Leistungsgewinn für drei


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28

-11.3-3.3 -0.1 -3.5 -5.4 -8.3

-0.0

265.0

11.31

3.30 0.08 3.455.40

8.280.017.03

0.27 0.54 3.93

285.0

sum

cell p

ower

glas

s re

flection

(1)

glas

s ab

sorp

tion

(2)

refle

ction

glas

s/en

cap

(3)

enca

psulan

t abs

. (4)

shad

ing

of ri

bbon

(5)

coup

ling

cell su

rface

(6)

coup

ling

finge

r (7)

coup

ling

inte

rcon

.(8)

coup

l. ba

cksh

eet (

9)

cell inte

rcon

nection

(10)

strin

g inte

rcon

nection

(11)

mod

ule

power

230

240

250

260

270

280

290

300

po

we

r [W

]

gains

losses


Optische

Verluste

Optische

Gewinne

0.6

Elektrische

Verluste

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29

Elektrische Verluste (10) bis (11)

Widerstandsverluste im Bändchen

backcontactfrontcontactbackribbonfrontribboncell PPPPnPnP ,,,,]10[

see also Geipel et. al., Silicon PV conference 2014

cell front cell back

p-pad n-pad

Kontakt-

widerstand

Kupfer-

widerstand

Zellzwischen-

räume

String-

Verbinder + + +

Ik,1 Ik,2 Ik,j …

… ribbonk RI 2

1, ribbonkk RII 2

2,1, )(

cell gap sumkI ,…MPP Strom verringert

durch optische Faktoren

k[1] to k[9]

ribbonR …gemessener effektiver

Widerstand

RIP 2

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30

Elektrische Verluste (10) bis (11)

Widerstandsverluste im Bändchen

see also Geipel et. al., Silicon PV conference 2014

1%

89%

2%8%

contact loss gap loss

string connection loss

ribbon loss

Abb.: Energieverlust für unterschiedliche Bändchenbreite und

-dicke Abb.: Beispiel für elektrische Verluste in verlötetem 60-Zellen-

Modul

1.20 1.25 1.30 1.35 1.40 1.45 1.506

7

8

9

10

11

12

13

14

15

po

wer

loss

P[1

0] [

W]

width [mm]

0.1 mm

0.15 mm

0.2 mm

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31

Zusammenfassung

CTM unterscheidet sich stark für verschiedene Zellkonzepte (multi vs.

mono, bifazial, IBC, MWT)

Hocheffiziente Solarzellen mit niedrigerem ursprünglichem

Reflexionsgrad profitieren weniger von Kopplungserträgen

Mehrertrag durch Backsheets im Bereich von 4 Watt

Viele Effekte im Modul beeinflussen sich gegenseitig und müssen

ganzheitlich optimiert werden

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32

Ausblick

Erweiterung des elektrischen Modells

bis hin zur Zellmetallisierung um

Multiwirekonzepte zu optimieren

Erweiterung der Leistungsbestimmung

um veränderliche Sonnenspektren und

verschiedene Lichtstreuungen /Winkel

Entwicklung eines Ertragsmodells,

welches den Modulaufbau berücksichtigt

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