POTENTIALINDUZIERTE DEGRADATION (PID ... - tuv.com · 1200 Rp [:] Time [min] PIDcon Test - Encapsulant 1 PIDcon Test ... Modultests haben SEMI Task-Force “PV Material Degradation”

© 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


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


Warum PID-Tests? Produktversagen kommerzieller PV-Module

PV-Magazin Umfrage (01/2015): mindestens 160 MWp betroffen


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


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

http://www.pointelectronic.de/en/


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


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


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


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


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


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]


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


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.


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


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


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)


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


Dr. Christian Hagendorf Contact: [email protected] www.csp.fraunhofer.de

mailto:[email protected]

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