POTENTIALINDUZIERTE DEGRADATION (PID ... - tuv.com · 1200 Rp [:] Time [min] PIDcon Test -...
Transcript of POTENTIALINDUZIERTE DEGRADATION (PID ... - tuv.com · 1200 Rp [:] Time [min] PIDcon Test -...
© Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
12.11.2015, 12. Workshop „PV-Modultechnik“ – TÜV, Köln
POTENTIALINDUZIERTE DEGRADATION (PID) TESTVERFAHREN IM LABOR UND FREIFELD
Christian Hagendorf,
Dominik Lausch, Volker Naumann, Stephan Großer, Jörg Bagdahn
Thanks to PV Guider/Taiwan, 2015
© Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
Agenda
Warum PID-Tests?
PID Grundlagen
PID Modultest (IEC 62804 Standard)
PID Tests von der Solarzelle bis zum Solarmodul
Testprozedur
Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit
Vergleich zwischen Solarzellen-Test und Modul-Test
Freifeld PID-Prüfung
Zusammenfassung
© Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
Warum PID-Tests? Produktversagen kommerzieller PV-Module
PV-Magazin Umfrage (01/2015): mindestens 160 MWp betroffen
© Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
Potential-induzierte Degradation (PID) in Solarmodulen & PV-Systemen
PID bei hoher Spannung zwischen Modulrahmen/Frontglas und Zellen beobachtet (2010)
Hohe Spannungsdifferenzen führen zu Drift der beweglichen Na-Ionen [1,2] PID-s weltweit
Vorbeugende Maßnahmen bei Invertern, Modulen, Zellen
Schematische Darstellung des Potentials in
aufgereihten Modulen
http://files.sma.de/dl/7418/PID-TI-UEN113410.pdf SMA Solar
[1] P. Hacke et al., Proc. of 25th EU-PVSEC, Valencia, Spain, 2010 [2] S. Pingel et al., Proc. of 35th IEEE PVSC, Honolulu, USA, 2010
© Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
PID an Solarzellen Ursache und Versagensmechanismus
[1] Naumann, V. et al., Energy Procedia 33, S. 76–83
Surface
Lamelle
TEM
PID-s PID-s
Lamella
PID-s bedingt durch mikroskopische Defekte an den Solarzellen
Mechanismus: Leckstöme und resultierende Spannung über SiN-Schicht
Entwicklung von Tests für R&D, Prozess und Qualitätskontrolle für die gesamte Produktionskette
© Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
Wissenschaftlicher Hintergrund der PID-Tests erforderlich für Definition von Testparametern und Einflussfaktoren
Untersuchung von Potential-induzierter Degradation durch Überbrückung des p-n Übergangs (PID-s)
Planare Defekte in Si {111} Ebenen “Stapelfehler”
dekoriert mit ~1 Monolage Na
Hohe elektrische Leitfähigkeit Messung des Shunt-Widerstands Rp, um PID-Zustand zu quantifizieren
© Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
Produktqualitäts-Test IEC Standard für den PID Modultest (IEC 62804 TS Ed.1)
Parameter:
Modul mit Al-Folie in Klimakammer
Temperatur: 60 °C
Luftfeuchtigkeit < 60%
Dauer: 168 h
Spannung: 600 V/1000 V oder 1500 V
Auf Modul-Level: PID Standard verfügbar - IEC 62804 TS
Prozedur: Kontaktierung der Oberfläche durch Bedeckung mit einer geerdeten, elektrisch leitfähigen Elektrode in kontrollierter Umgebung
Klimakammer
front contact
glas
EVA Solar cell
metal foil
V
+
- back contact
back sheet
R
© Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
Solarzellen, Polymer, Glasprüfung Setup und Testprozedur
Konsistent zu IEC (> 1 kV, max. 140 °C)
Test von Solarzellen und Modul Komponenten ohne Modulherstellung
Test von Mini-Modulen möglich
Prozess - oder Qualitätskontrolle
Zuverlässig, reproduzierbar, kosteneffizient, schnell
Benchmark für PID-Anfälligkeit
In-situ Messung von Rp
Luftfeuchtigkeitsmessung EL image of a multicrystalline Si solar
cell after PID test on an area of 4x4 cm²
© Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
0 5 10 15 20 23
0
50
100
150
Para
llel
Res
ista
nce
Rp
[
]
PID resistant (PIDcon)
PID prone (PIDcon)
Para
llel
Res
ista
nce
Rp
[
]
Time [h]
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
220
-5 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
0
50
100
150
200
Para
llel
Res
ista
nce
Rp
[
]
Para
llel
Res
ista
nce
Rp
[
]Time [h]
PID resistant (Climate chamber)
PID prone (Climate chamber)
0
20
40
60
80
100
120
Vergleichbar mit Mini-Modul Tests
Test von PID-anfälligen und PID-resistenten Solarzellen für Solarzelle vs . Mini-Modul Test
PID-freie Solarzelle PID-freies Mini-Modul!
Solarzellen-Test (PIDcon) Mini-Module (Klimakammer)
PIDcon
Climate chamber
© Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
Anwendungen für Material- und Prozesstests
PID-Prüfung im PIDcon Tester vor dem Laminationsschritt durch Freiberg Instruments eingeführt
Laminationsfolien und Prozessparameter können getestet werden
Weitere Parameter beeinflussen PID (z.B. EVA, Laminationsprozess, Modulkontaktierung, …)
Testbedingungen müssen für eine Korrelation zwischen Solarzellen- und Modultests spezifiziert werden
Materialien für Solarzellentests müssen im gleichen Zustand sein, wie bei der Herstellung für Module
0 200 400 600 800 1000 1200
0
200
400
600
800
1000
1200
Para
llel
Res
ista
nce
Rp
[
]
Time [min]
PIDcon Test - Encapsulant 1
PIDcon Test - Encapsulant 2
PIDcon
© Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
Vergleichbare PID-Testresultate für 60 Zellmodule und Mini-Module
1 von 3 der 60-Zellmodule mit moderater PID-Anfälligkeit (am CSP gebaut)
Elektrolumineszenz (EL) bei niedriger Injektion (0.85 A)
vor PID Test nach PID Test
Nur einige Zellen zeigen Verlusten
Rp wird durch intakte Zellen aufgrund der Reihenschaltung dominiert
0 20 40 600
5
10
15
20
25 module 1 (60 cells)
module 2 (60 cells)
module 3 (60 cells)
5 one-cell laminates x 12
Shun
t re
sis
tan
ce
[k
]
Time [h]
© Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
Zwischenfazit
1. PIDcon Solarzellentest is t eine verläss liche und reproduzierbare Methode für die industrielle Prüfung von Solarzellen und Modulkomponenten auf PID-Anfälligkeit 4-fach PIDcon4
1. Resultate von Solarzellen, Mini-Modul und 60-Zellmodul PID Tests können aufeinander kalibriert werden
2. Testbedingungen müssen spezifiziert werden Materialien müssen den gleichen Zustand während der Solarzellen- und Modultests haben SEMI Task-Force “PV Material Degradation” since 06_2015
© Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
Outdoor-Prüfung Mobiler PID-Modul Tester
State-of-the-art PID-Prüfung im Freifeld:
1. PV-Anlage zeigt Leistungsverlust
2. Schwachlicht-Performance (Morgen/Abend) Anzeichen einer Abnahme von Rp
3. EL Inspektion von individuellen Modulen
bis dato keine voraussagende PID-Testprozedur vorhanden
Lösung: Patentanmeldung: D. Lausch, V. Naumann, C. Hagendorf, J. Bagdahn, Verfahren und Anordnung zur Prüfung eines Solarmoduls auf Anfälligkeit für Potential-induzierte Degradation, Patentanmeldung DE 102015213047.9, eingereicht am 13.07.2015.
© Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
Frontelektrode auf Solarmodul
Hochspannungsquelle (-Pol an Zellen)
Spannungsquelle, Strommessung Heizung
UHV Hochspannungsquelle
Elektrode
Heizelement
1
2 3 2
Solarmodul: 1 Modulglas 2 Verkapselungsmaterial (Polymer) 3 Solarzellen 4 Rückseitenfolie
Messung
Solar-
modul
4
Outdoor-Prüfung Schema Setup
Prototyp am Fraunhofer CSP
© Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
direkte, eindeutige PID Nachweis durch Provokationstest
Demontage von Modulen nicht nötig keine Logistik, kein Ertragsausfall
PID-Anfälligkeit von Modulen bei neuen oder jungen Solaranlagen Vorhersage für zukünftiges Auftreten von PID
Ausheilen im Feld (Bewertung/Demonstration von Gegenmaßnahmen, z.B. PV Offset Box)
mobiles Gerät
einfache Bedienung, einfache Datenauswertung/-Interpretation
Outdoor-Prüfung Vorteile
© Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
Simulation von Modul I-V Kennlinien mit PID-Zellen
0,001
0,01
0,1
1
10
-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40
Cu
rre
nt
[A]
Voltage [V]
Dark I-V curves (logarithmic current axis)
ohne PID
20
PID-free
20 cells with PID
Simulation: Standard c-S i Solarzellenmodul mit 60 Zellen
Blaue Kennlinie: I-V Kennlinie einer realen in Reihe geschalteten Zelle (60-fach)
Rote Kennlinie: 20 von 60 Zellen haben einen verkleinerten Shunt-Widerstand entsprechend dem Leistungsverlust von 5 % (unter STC)
© Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
Zusammenfassung PID-Kontrolle “from cradle to grave”
1. Produktqualitäts -Prüfung: PID Modultest IEC 62804 TS verfügbar
2. PV-Materialien und Solarzellentest entlang der Herstellungskette: PIDcon verfügbar, SEMI Standard in der Entwicklung
3. PID Freifeld-Test: Voraussagender Modultest für PV-Anlagen Patent angemeldet
© Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP
Dr. Christian Hagendorf Contact: [email protected] www.csp.fraunhofer.de