Feldrelevante Degradationseffekte von multikristallinen Siliziumsolarzellen & -modulen

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1 Feldrelevante Degradationseffekte von multikristallinen Siliziumsolarzellen & -modulen 12. Workshop Photovoltaik-Modultechnik Köln, 12. November 2015 F. Kersten 1,2, P. Engelhart 1, H.-C. Ploigt 1, F. Stenzel 1, K. Petter 1, T. Lindner 1, A. Szpeth 1, M. Bartzsch 1, A. Stekolnikov 1, M. Scherff 1, J.W. Müller 1 & J. Heitmann 2 1 Hanwha Q CELLS, Sonnenallee 17-21, Bitterfeld-Wolfen 2 TU Bergakademie Freiberg, Institut für Angewandte Physik, Leipziger Straße 23, Freiberg, Germany 1

2 Hanwha Q CELLS IM ÜBERBLICK Februar 2015 entsteht Hanwha Q CELLS Co., Ltd. aus der Fusion von zwei der weltweit renommiertesten Photovoltaik-Anbieter: Hanwha SolarOne und Hanwha Q CELLS Unternehmenssitz in Seoul, Südkorea (Global Executive Headquarters) und Thalheim, Deutschland (Technology & Innovation Headquarters) weltweit größte Hersteller von Solarzellen und einer der größten Hersteller von Photovoltaikmodulen eines der größten Technologiezentren der Branche sowie renommierte Labor- und Modultestzentren enge Zusammenarbeit mit dem Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE, dem Photovoltaik-Institut Berlin, dem TÜV Rheinland und dem VDE Prüf- und Zertifizierungsinstitut 2

3 50% PERC MOTIVATION multikristallines Silizium (mc-si) ist das dominierende Ausgangsmaterial der nächsten 10 Jahre PERC Technologie erlangt signifikanten Marktanteil Erwartete Marktverteilung verschiedenen c-si Solarzellkonzepte ITRPV, 2014 Results, Revision 1, 24 March Passivated Emitter and Rear Cell (PERC) 3

4 ENTWICKLUNG DES SOLARZELLEN DESIGNS Industrieller Standard Q.ANTUM Technologie ARC SiN x Vorderseitenmetallisierung ARC SiN x Vorderseitenmetallisierung n + -Typ Emitter p-typ Si Si Dielektrikum Rückseitenmetallisierung, Al-Si Eutektikum und Back surface field (BSF) Al Diffusion Laserkontaktöffnung (LCO) etablierte Technologie seit 1973 Al Dotierung des Si während des Feuerschrittes Formation eines p/p + Gebietes Rückseitenpassivierung Vollflächiger Al-Rückkontakt geringer R S hohes Füllfaktorpotential adaptierte Innovationen aus dem Labor bei Hocheffizienzsolarzellen mit Rekordwirkungsgraden bis zu 25% bereits auf kleiner Fläche demonstriert Dielektrische Rückseitenpassivierung, Evaluierung verschiedener Dielektrika Lokal Punktkontakte, z.b. LFC, LCO 4

5 Q.ANTUM MODULLEISTUNG Modulleistungsverteilung (60 Zellen) Q.ANTUM Produktion (Dez. 2014) 3 Jahre Q.ANTUM Massenproduktion in Thalheim: Ausgezeichnete mc-si Qualitätsmodule 280 W Q.ANTUM Technologie durchschnittliche Modulleistung: P MPP,STC = 281,8 W Median Solarzelleffizienzen = 19,2% Maximal Solarzelleffizeinzen > 19,5% S. Engelhart et al., 3 years of high quality mc-si PERC production experience approaches for efficient cell and module development. EUPVSEC

6 DEGRADATION DER MODULLEISTUNG Modulkomponenten Glas EVA Rückseitenfolie Solarzelle Hot Spots Potential Induzierte Degradation (PID) Licht induzierte Degradation (LID) Anschlussdose Bor-Sauerstoff (B-O) Komplexbildung Eisen-Bor (FeB) Paarbildung Sponge-Degradation erhöhte Licht induzierte Degradation bei erhöhten Temperaturen (LeTID*) *) Light and elevated Temperature Induced Degradation: F. Kersten et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells 142, p. 83,

7 TOPICS Motivation: Degradation von mc-siliziumsolarzellen Degradationstests von mc-si PERC Solarzellen & Modulen: zeitaufgelöste Messungen der Solarzellperformance in Abhängigkeit der Temperatur und Injektionsdichte im Labor Solarmodule im Freifeldtest Vorschlag für LeTID Test Norm Vermeidung der Degradation bei Licht und erhöhten Temperaturen Zusammenfassung 7

8 STARKE DEGRADATION OF mc-perc Stand der Forschung Ramspeck et al. Ramspeck et al., Light induced degradation of rear passivated mc-si solar cells. EUPVSEC 2012 Fertig et al. Fertig et al., Light-induced degradation of PECVD aluminium oxide passivated silicon solar cells. Phy. Status Solidi RRL, 1-6 (2014) unerwartet hohe Degradation nicht erklärbar mit bereits bekannter B-O Komplexbildung oder FeB-Paar Dissoziation Hypothese: Einfluss der Al 2 O 3 Passivierschicht neuer Degradationseffekt of mc-si Gefährdung der industriellen Einführung der mc-perc Technologie 8

9 Stromdichte [ma/m 2 ] EXPERIMENTELLES DEGRADATIONSBEDINGUNGEN Degradationsexperimente bei verschiedenen Temperaturen von 50 C bis 95 C LIDL etid [Light and elevated Temperature Induced Degradation] freie Ladungsträgerinjektion mittels: Beleuchtung Light Induced Degradation LID (Variation der freien Ladungsträgerkonzentration: Betrieb im V oc, I sc oder MPP Modus) I sc Modus Bestromung Current Induced Degradation CID (Variation der Stromstärke zur Regulierung der Minoritätsladungsträgerkonzentration gleiche freie Ladungsträgerkonzentration wie LID) MPP Modus V oc Modus Spannung [mv] 9

10 LeTID SENSITIVE PERC-SOLARZELLEN LeTID Fakten: an Degradation schließt sich Regenerationsphase an Injektionsabhängigkeit Temperaturabhängigkeit LeTID Rate ist langsamer als B-O Komplexbildung und FeB-Paar Zersetzung 10

11 LeTID SENSITIVE PERC-MODULE IM FREIFELD beschleunigtes LeTID: 1. V oc Modus 2. Isolation der Modulrückseite mit Styropor (T Modul max. +20 K) KW25 KW28 KW32 KW34 Modulleistung: 100 % KW kwh -5,22 % 203 kwh -7,46 % 320 kwh -6,96 % KW38 KW41 KW kwh -6,09 % 397 kwh -2,38 % 455 kwh -1,44 % 520 kwh -0,84 % unter realen Feldbedingungen : dauert LeTID + Regenerationszyklus mehrere Jahre (> 10 Jahre in Deutschland) 11

12 VORSCHLAG LeTID TEST NORM LeTID TEST NORM CID bei 75 C im MPP Modus Leistungsverluste identifizieren bedingt durch LeTID mit überschaubarem Experimentaufwand 12

13 VERMEIDUNG VON LeTID VERMEIDUNG VON LeTID Q.ANTUM Prozess vollständige Vermeidung von LeTID langzeitstabile Modulperformance durch Prozessanpassung 13

14 SUMMARY neuer mc-perc Degradationseffekt: hohe Statistik an degradierten Solarzellen und -modulen im Labor und Freifeld Degradation des Si-Volumenmaterials beschleunigte Degradation je höher die Injektionsdichte oder Temperatur starke Materialabhängigkeit (z.b. Lieferant, Brickhöhe) an Degradation schließt sich Regenerationsphase an zu lange für Garantie Vorschlag für LeTID Test bei erhöhten Temperaturen: 75 C CID MPP Modus langzeitstabile Modulperformance der Q.ANTUM Technologie mit vollständiger Vermeidung von LeTID F. Kersten et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells 142, p. 83,

15 Vielen Dank! 12. Workshop Photovoltaik-Modultechnik Köln, 12. November

16 Zeit [h] Zeit [h] MESSUNG DER MODULTEMPERATUR Verdopplung der Degradationsgeschwindigkeit bei DT Modul = +10 K Deutschland Freiburg (Aufdachinstallation) Griechenland Zypern (Freifeldinstallation) *PV Technology University of Cyprus, George Makrides Temperatur Modulrückseite [ C] Temperatur Modulrückseite [ C] Backup 16

17 BRICKVERTEILUNG VON LeTID Schnappschuss" nach 24 h Degradation eines mc-si Brickverlaufes LeTID Fakten: an Degradation schließt sich Regenerationsphase an Injektionsabhängigkeit Temperaturabhängigkeit LeTID Rate ist langsamer als B-O Komplexbildung und FeB-Paar Zersetzung starker Si-Material Einfluss keine direkte O i -Korrelation Backup 17