J. Berghold 1) & T. Shioda 2)

1) PI Berlin

2) Mitsui Chemicals

13. Modulworkshop ‚Photovoltaik Modultechnik‘

28. November 2016 Köln

Analysemethodik für EVA-Folien und Ihre Relevanz für aktuelle Feldfehler

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

PI Berlin

2

3

Internationale Präsenz

PI Photovoltaik-Institut Berlin AG

1. Einleitung & Motivation

2. Relevanz des Einkapslungsmaterials in Hinblick auf Feldfehler

3. Qualitätskontrolle & Fehleranalyse

4. Praxisbeispiele für Fingerprint-Test

5. Zusammenfassung

4

Agenda

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

1. Einleitung & Motivation

5

Beobachtung: Bei Langzeitstabilität von PV-Modulen zunehmender Fokus auf Einkapslungsmaterial

bei Modul-Fehleranalyse und Qualitätssicherung/ Prävention

Grund 1: Zunehmender Anteil von Feldfehlern im Zusammenhang mit Einkapslungsmaterial

z.B. PID, „Schneckenspuren‘“ Delamination, „Framing“, Korrosion , Verfärbungen etc.

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

6

1. Einleitung & Motivation

Grund 2: Zunehmender Anteil von PV-Installationen in „extremeren“ Klimaten

Quelle: Bloomberg Global PV Market Outlook 2016

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

7

Einkapslungs-

material

Elektrische Isolierung

Wasser(dampf)barriere

Optische Kopplung/ Transmission

Mechanischer Schutz / Module Matrix

Chemischer Schutz/ Chemische Stabilität

Eigenschaften:

•Gute Haftung

•Chemisch resistent

•Gute Transmission

•Hohe UV Stabilität

•Geringe Wasseraufnahme & WVTR

Ausgleich/ Aufnahme von thermischen Spannungen/ Gradienten

Langzeitsstabilitäts-relevante Eigenschaften immer wichtiger

1. Einleitung & Motivation

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

• EVA als Trägermaterial/ Medium für Ladungs- und Stofftransport Relevant für PID, Korrosion und Schneckenspuren Ziel: Hoher Volumenwiderstand, Geringe Leckströme, Geringer Ionentransport • EVA als ‚Reaktionspartner‘ Einfluss von EVA-Komponenten/Zersetzungsprodukten (z.B. Essigsäure) Relevant für Schneckenspuren, Korrosion und Verfärbungen Ziel: ‚Vermeidung‘ von chemischen Reaktionen im Modul • EVA-Additive (z.B. Haftvermittler, UV-Blocker etc.) Fehlen bestimmter Additive, ungeeignete Zusammensetzung und Konzentration Relevant für Delamination, Verfärbungen/Degradationen etc. Ziel: Sicherstellung bestimmter Eigenschaften (Haftung, UV-Schutz etc.)

Einfluss des EVAs auf Feldfehler indirekt oder direkt!

2. Relevanz des Einkapslungsmaterial für Feldfehler

8 TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

Ber

gho

ld, J

., P

inge

l, S.

, Jan

ke, S

. et.

al.,

SP

IE O

pti

cs +

Ph

oto

nic

s, 2

01

5. D

OI:

10

.11

17/

12.2

188

464

2. Relevanz des Einkapslungsmaterial für Feldfehler

9

Failure mode Veränderungen/Vorgänge im EVA Ursache

Verfärbungen/ “Browning”

• Chemische Zersetzung • Reaktion von Additiven oder Essigsäure

Formulierung/ Zusammensetzung des EVA

Delamination • Schlechte Haftung direkt nach Produktion Bindungen/‚Bindungskräfte‘ ungenügend • Schlechte Haftung nach Alterung durch ‚Brechen von Bindungen‘

• Formulierung EVA • Art des Haftvermittlers • Historie des Moduls Thermische und UV-Belastungen

Korrosion • Wassereintrag aufgrund von Delaminationen • Freisetzung von Essigsäure im EVA

Formulierung/ Zusammensetzung des EVA

‚Direkter‘ Einfluss :

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

2. Relevanz des Einkapslungsmaterial für Feldfehler - Beispiel ‚Browning‘-

10

YI/ Browning -Verlauf sehr unterschiedlich in Abhängigkeit von EVA- Zusammensetzung

Besonders relevant für Standorte mit extrem hoher Einstrahlung (z.B. Chile)

Xe - Licht

Glas

EVA

BS (Al)

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

2. Relevanz des Einkapslungsmaterial für Feldfehler - Beispiel ‚Delamination‘-

11

Unterschiedliche Haftungskräfte nach UV-Alterung

Delaminationsrisiko abhängig von EVA-Zusammensetzung und Standort

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

- Zellen: (reaktive) Metallisierung

- EVA: unterschiedliche Zusammensetzung

(‚kritische Komponenten‘)

variierte EVA-Komponente

Reference

(‚Kritisches‘‚ EVA)

Vernetzer 1,2

Vinyl acetate 1,2

Additive 1,2, 3

2. Relevanz des Einkapslungsmaterial für Feldfehler - Beispiel ‚Schneckenspuren-

Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher EVA-Komponenten auf ‚Schneckenspuren‘

12

Name of Sample 002A 003A 004A 005A 007A 008A

Encapulant

variation

Curing

Agent 1

Additives

Type 1 Curing Agent 2

Additives

Type 2 non EVA

PI

Reference

Initial readout

after 1st UV 30

kWh/m²

after 1st Damp Heat

250h

after 2nd UV 30

kWh/m²

Final (after 2nd

Damp Heat 250h)

Name of Sample 002A 003A 004A 005A 007A 008A

Encapsulant variation Curing Agent 1 Additives

Type 1

Curing Agent

2

Additives

Type 2 non EVA

PI

Reference

Initial readout

after 1st

month outdoor after 2nd month

outdoor

INDOOR

OUTDOOR

Identifikation von ‘kritischen’ EVA-Komponenten

Keine visuellen

Veränderungen

Leichte

Schneckenspuren

Deutliche

Schneckenspuren

13

2. Relevanz des Einkapslungsmaterial für Feldfehler - Beispiel ‚Schneckenspuren-

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

Sehr unterschiedliches Erscheinungsbild abhängig von EVA-Komponente Passt zu Feldbeobachtungen

14

2. Relevanz des Einkapslungsmaterial für Feldfehler - Beispiel ‚Schneckenspuren-

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

Qualitätskontrolle: Vermeidung von Feldfehlern

Feldfehleranalyse: Ursachenforschung

Analysemethoden für Einkapslungsmaterialien in PV-Modulen

• ‘Finger print’ Test: Qualitative und quantitative chemische Analyse Bestätigung der BOM Identifizierung ‘fehlerhafter ‘Formulierungen’ (z.B. ‘fehlender’ Haftvermittler) • Volumenwiderstandsmessungen • Haftungsuntersuchungen/ Abzugstest EVA/ Glas, EVA/BS • Vernetzungsgradbestimmung (z.B. Gel content, DMA)

3. Qualitätskontrolle & Fehleranalyse

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

‘Fingerprint’-Test zur Bestätigung BOM (z. B. für Solarprojekte): 1. EVA Probenentnahme 2 Proben - Probe 1: EVA –Probe aus Modulbatch (aus Modulieferung, Kraftwerksmodulen etc.) - Probe 2: ‘unlaminierte’ EVA Probe direkt aus der Produktion (EVA entspr. Herstellerangaben) 2. Qualitative und quantitative Analyse (GC-MS, IR)

3. Vergleich der Analyseergebnisse beider Proben

4. Bestätigung/Widerlegung: ‘korrektes’ EVA?

3. Qualitätskontrolle & Fehleranalyse - Finger Print Test -

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

Beispiel 1: Qualitätskontrolle für 20 MW Kraftwerksprojekt in Japan Netzanschluss 6/2015

Involvierte Parteien:

- großer chinesische Modulhersteller

- EPC

- PI Berlin für Qualitätskontrolle:

a) Fabrikaudit + Produktionsbegleitung (PI Berlin/PI China)

b) Stichproben-Qualitätskontrolle bei PI China

c) Moduleinspektion im Kraftwerk / Abnahme (PI Berlin/Mitsui)

Hauptziel des ‚Finger print tests‘:

Bestätigung : EVA (Kraftwerksmodule) = ‚vereinbartes‘ EVA (BOM)

17

4. Praxisbeispiele für Fingerprint-Test - Verifizierung BOM-

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

Kraftwerkserrichtung/ -abnahme in Japan Fabrikaudit in China

Probenentnahme ‚fresh‘ EVA ‚Referenzmaterial von beschrifteter Rolle)

Probenentnahme ‚cured‘ EVA aus Stichprobe für QC an Kraftwerksmodulen ‚herauspräparierte‘ EVA-Probe aus PV-Modul: links: Rückseite, rechts: Vorderseite

4. Praxisbeispiele für Fingerprint-Test - Verifizierung BOM-

Beispiel 1: Qualitätskontrolle für 20 MW Kraftwerksprojekt in Japan

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

Qualitätskontrolle bei PI China

Ansatz ‘Fingerprint’-Test:

1.) Qualitative Analyse: Soxhlet-Extraktion + GC-MS-Analyse Vergleich der Lage der Peaks

2.) Quantitative Analyse Vergleich der Peakhöhen im GS-MS-Spektrum mit Kalibierspektrum

19

4. Praxisbeispiele für Fingerprint-Test - Verifizierung BOM-

Beispiel 1: Qualitätskontrolle für 20 MW Kraftwerksprojekt in Japan

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

Quantitative Analyse in Kooperation mit Mitsui Chemicals:

Vergleich der Konzentrationen ‘ausgewählter’ Additive (‘unveränderte’ Konz. nach Lamination / Feldeinsatz)

Ergebnis: EVA-Formulierung nicht konform/ EVA-Material nicht identisch!

Teilweise drastische quantitative Unterschiede bei Additiven

(z.B. Konzentration ‚Antioxidant B‘ zehnfach niedrigere Konzentration im ‚cured EVA‘ als in ‚Referenzmaterial‘)

20

additives type fresh EVA cured EVA

a not detected not detected

b 0.26 0.06

c 0.44 0.02

UV absorber a 0.2 0.12

light stabilizer a 0.10 0.05

a 0.005 0.001

b 0.001 0.01

coupling agent a 0.10 detected*

curing agent

anti-oxidant

4. Praxisbeispiele für Fingerprint-Test - Verifizierung BOM-

Beispiel 1: Qualitätskontrolle für 20 MW Kraftwerksprojekt in Japan

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

Beispiel 2: Reklamation bezüglich x MW Produktionsvolumen eines OEM- Modulherstellers

Involvierte Parteien:

- Kläger: Markenhersteller Garantiegeber gegenüber Endkunden

- Beklagte: OEM-Hersteller

Herstellung/Lieferung von x MW an den ‚Markenhersteller‘/Kläger

Liefervertrag umfasste unterschiedliche, vereinbarte BOMs

- PI Berlin: Gutachter / Experte für die Seite des Klägers

Ausgangssituation: PID-Feldausfälle mit OEM-Modulen an unterschiedlichen Standorten weltweit

Erste Kundenreklamationen/Garantiefälle von Endkunden + weitere erwartet

21

4. Praxisbeispiele für Fingerprint-Test - Verifizierung BOM-

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

LAB: PID Sensitivitätstest mit unterschiedlichen BOMs

Module

number Status PMPP [W]

Power deviation

[%]

PID quality

category

(PI Berlin)

1 initial 205.0

C after PID Not detectable -100

2 initial 205.6

C after PID Not detectable -100

3 initial 204.2

C after PID Not detectable -100

4 initial 205.8

C after PID Not detectable -100

5 initial 205.2

C after PID Not detectable -100

6 initial 205.7

C after PID Not detectable -100

22

4. Praxisbeispiele für Fingerprint-Test - Verifizierung BOM-

Beispiel 2: Reklamation bezüglich x MW Produktionsvolumen eines OEM- Modulherstellers

Bestätigung der extremen PID-Empfindlichkeit

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

Serial numberModule type

(Label)Article

Product type/ Specification acc. Schüco document

‘overview specifications PS05 PS15 20140901’

Position within PV-

String (“1” = Negative

Pole)*

Power deviation

with respect to label

2599978231A094902050 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 3 -65.6

2599978231A094902002 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 5 -54.2

2599978231A094902183 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 4 -53.0

2599978231A100213967 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 2 -35.3

2599978231A100213975 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 1 -37.1

2599978231A100213960 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 4 -22.2

2599978231A100213798 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 4 -6.0

2599978231A100403613 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 5 -7.4

2599978231A094902027 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 9 -6.3

2599978231A100309045 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 8 -2.0

2599978231A094902996 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 11 0.3

2599978231A100216879 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 16 0.6

2599978231A094903083 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 15 -0.8

2599978231A094904743 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 17 0.8

2599978231A100213997 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 12 -2.0

2599978231A100216718 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 24 0.7

2599978231A100217156 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 19 1,2

2599978231A094902158 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 19 1,2

2599978231A094902360 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 Storage 2.0

2599978231A094902832 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 Storage 0.9

2599978231A094902938 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 Storage 1,8

2599978231A094902942 MPE 200 PS 05 259997 MPE xxx PS 052 Storage 2,2

Karibische Insel Deutschland

‚fortgeschrittene‘ PID im Kraftwerk – in unterschiedlichem Stadium - bestätigt

23

4. Praxisbeispiele für Fingerprint-Test - Verifizierung BOM-

Feld: Systematische Überprüfung der Module (mit betroffener BOM) in Kraftwerken an unterschiedlichen Standorten

Beispiel 2: Reklamation bezüglich x MW Produktionsvolumen eines OEM- Modulherstellers

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

Hauptziel des ‚Fingerprint-Tests‘:

Überprüfung. Hat OEM-Hersteller (bei der Herstellung der offenbar extrem PID-sensitiven Modulen) nach vereinbarter BOM/ Spezifikation produziert?

Eventuelle Verwendung für juristische Zwecke (wenn EVA nicht entspr. BOM)

Herangehensweise:

1.) Qualitative Analyse der Additives des Referenzmaterials (vom Hersteller) und der EVA-Probe vom PID sensitiven OEM-Modul

2.) Quantitative Analyse für 2 Additive (UV absorber and light stabilizer) für beide EVA-Proben

Grund: Menge/Konzentration dieser Additive bleibt unverändert bei Lamination und Feldeinsatz

24

4. Praxisbeispiele für Fingerprint-Test - Verifizierung BOM-

Beispiel 2: Reklamation bezüglich x MW Produktionsvolumen eines OEM- Modulherstellers

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

Qualitative Analyse: Soxlett Extraktion der Additive + Gaschromatografie-Massenspektroskopie (GC-MS):

Analytischer Vergleich zwischen Referenz und Testsample anhand von 5 Additiven:

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold 25

additives type Mitsui's EVA Test sample

a detected detected

b detected detected

c detected detected

d not detected not detected

e detected detected

f not detected not detected

g detected detected

h not detected not detected

i detected detected

j not detected not detected

coupling agent k detected detected

residual

curing agent

UV absorber

light stabilizer

anti-oxidant

Reference

Qualitative und quantitative Übereinstimmung konnte festgestellt werden Korrektes EVA!

4. Praxisbeispiele für Fingerprint-Test - Verifizierung BOM-

Beispiel 2: Reklamation bezüglich x MW Produktionsvolumen eines OEM- Modulherstellers

TÜV-Workshop – Köln – Dr. Juliane Berghold

Bei Langzeitstabilität von PV-Modulen zunehmender Fokus auf Einkapslungsmaterial

Chemische Zusammensetzung des EVA zunehmend relevant!

bei aktuellen Feldfehlern (z.B. Schneckenspuren und Delaminationen)

in ‘extremeren’ Klimaten (z.B. höhere Einstrahlung)

‚Fingerprint-Test‘ als innovatives Tool für Qualitätskontrolle, Fehleranalyse und Begleitung von Reklamationsprozessen

5. Zusammenfassung

29.11.2016 27

Your independent solar advisers!

Contact us: PI Berlin Dr. Juliane Berghold berghold@pi-berlin.com www.pi-berlin.com