P. Lechner, S. Hummel, J. Schnepf, D. Geyer

Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff-Forschung Baden-Württemberg (ZSW)

31. Symposium Photovoltaische Solarenergie, Bad Staffelstein, 09.-11.03.2016

Prognose von Leistungserholung im Feld nach Potential-induzierter Degradation (PID)

PID ”Live-Monitoring” im Feld: Degradation und Regeneration wird sichtbar

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Wie lange dauert eigentlich die Erholung nach Anti-PID-Maßnahme?

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• PID Fakten

• Thermische Regeneration - Untersuchungen im Labor - Funktionaler Fit - Validierung im Feld

• Regeneration mit Gegenspannung

Inhalt

PID-s (shunting) von c-Si Zellen

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EBIC: lokalisierte Shunts / SIMS: Na+ Map Bauer, MPI, Phys. Status Solidi (2012)

Na dekorierte Stapelfehler V. Naumann, Phys. Status Solidi (2013)

PID Detektion

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Elektrolumineszenz: inaktive Zellen

IR-Thermographie: 3-5K Temp.-Erhöhung

SCADA:: Reduktion

Stringspannung

c-Si: 1000W/m²

0

2

4

6

8

10

0 10 20 30 40Voltage [V]

Cur

rent

[A

]

initial10h PID50h PID

c-Si: 200W/m²

0

0,5

1

1,5

2

2,5

0 10 20 30 40Voltage [V]

Cur

rent

[A

]

initial10h PID50h PID

I-V Kennlinien

PID Gegenmaßnahmen

6

• Stapelfehler vermeiden

• Si Oberflächenbehandlung (UV-Oxidation)

• Modifikation SiN AR-Schicht

• Hochohmiges Einkapselmaterial

• Kein negatives Potential (Erdung, WR)

• Gegenspannung nachts

Modul IEC 62804-1 PID Test

System Präventiv; nach Schaden

Regeneration von PID

Erholung möglich durch:

• erhöhte Temperatur; thermische Regeneration (TR)

• Gegenspannung; Potential-induzierte Regeneration (PIR)

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vor und nach PID-Erholung:

Diffusion von Na aus Stapelfehler D. Lausch, Energy Procedia 55 (2014)

Thermische Regeneration (TR): Laborversuche

8

1) PID-Stress

• 60-Zellen poly c-Si Module

• PID Test bei 25°C/95%RH; -1000V

• Stopp bei etwa Pmin= 0,7*Pini

2) Regeneration

• Bei 25°C, 60°C und 85°C

• Normierung TR(t) =(P(t)-Pmin)/(Pini-Pmin)

Regeneration bei 25°C, 60°C and 85°C

• TR ist stark temperaturabhängig

Thermische Regeneration: Experiment und Fit

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• Gut fitbar mit gestreckter Exponentialfunktion

• β = 0.63 konstant für alle Temperaturen

• Aktivierungsenergie Ea = 0.70eV

Fit für: normierte Regeneration TR: TR(t) = 1- e -(t /τ)β

mit 0< β <1

Arrhenius Abhängigkeit für die Zeitkonstante τ

τ = τ0 e -(Ea/kT)

Ea Aktivierungsenergie

Prognose der thermischen Regeneration im Feld

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Fit Funktion: -gestreckte Exponential

-Arrhenius

Feld: Tmod(t)

TU(t), E(t)

Lab Test: τ, β, Ea

Feld: P(t)

Thermische Regeneration im Feld-Experiment Fallstudie: Erdung Minuspol

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1) PID-Stress im Labor

• 60-Zellen poly c-Si Module

• PID Test bei 25°C/95%RH; -1000V

• Stopp bei etwa Pmin= 0,7*Pini

2) Regeneration im Feld

• Kein Potential

• Kennlinienmonitoring

• Warten……

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• Gute Validierung der Felddaten mit Ea=0.70eV, β = 0.63

• 40% Erholung nach 1 Jahr, 90% nach 10 Jahren

Thermische Regeneration: Validierung und Prognose

• Prognose für 15K wärmeren Standort: 70% in 1 Jahr, 90% nach 3 Jahren

initial

nach PID

nach 1 Jahr TR

Regeneration mit Gegenspannung: Laborversuch (Potential-induzierte Regeneration, PIR)

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1) PID-Stress

• 60-Zellen poly c-Si Module

• PID Test bei 25°C/95%RH; -1000V

• Stopp bei etwa Pmin= 0,7*Pini

2) Regeneration

• +1000V 16, 25, 50°C und 95%r.F.

• Normierung R(t) =(P(t)-Pmin)/(Pini-Pmin)

Potential-induzierte und thermische Regeneration bei 25°C

• PIR ist deutlich schneller als TR

Fit und Skalierung der Regeneration mit Gegenspannung

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• Guter Fit für PIR mit gestauchter Expontialfunktion, β=1.6

• Abweichung bei langen Zeiten: möglicherweise irreversible Degradation

• Skalierbar mit transferierter Ladung

Regeneration mit Gegenspannung im Feld

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1) PID Stress (Labor)

2) PIR (Feld)

• Testfeld Widderstall +1000V nachts

• Leckstrommonitoring

• Kein PID-Stress tagsüber

• Übereinstimmung Leckstrom Labor und Feld

• Arrhenius-aktivierter Leckstrom

Feld: Erholung skaliert mit transferierter Ladung

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• Feld und Labordaten für PIR gut mit gestauchter exp-Funktion fitbar

• 95% Erholung nach etwa 1 Monat

Thermische Regeneration (TR) nach PID

• Erholung kann Jahre dauern

• Fitbar mit gestauchter exp-Funktion

• Feldverhalten ist prognostizierbar

Regeneration mit Gegenspannung (PIR)

• Signifikant schneller als TR

• Fitbar mit einer gestauchten exp-Funktion

• Transferierte Ladung als Treiber, Strom muss fließen

=> Laborcharakterisierung des Modultyps notwendig für Prognose

Zusammenfassung

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Danke für Ihre Aufmerksamkeit!

// Energy with a future

// Zentrum für Sonnenenergie- und Wasserstoff- Forschung Baden-Württemberg (ZSW)

Solar Test Facilitiy Widderstall

Stuttgart: Photovoltaics PV-Test lab Solab Energy Policy Energy Carriers

Ulm: Electrochemical Energy Technologies eLaB

contact: Peter.lechner@zsw-bw.de

www.zsw-bw.de