Analyse der Verlust-und Gewinnmechanismen für kristalline PV- Module

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1 Analyse der Verlust-und Gewinnmechanismen für kristalline PV- Module Ingrid Hädrich, Ulrich Eitner, Martin Wiese, Harry Wirth Fraunhofer Institut für Solare Energiesysteme ISE TÜV Modulworkshop Köln, 11. November

2 Einleitung Abt. Photovoltaische Module, Systeme und Zuverlässigkeit Modultechnologie Dr. Ulrich Eitner Verbindungstechnologie Moduleffizienz und neue Konzepte Module Technology Center (MTC) Schadensanalytik und Umweltsimulation Zuverlässigkeitstests Materialanalyse Testlab PV Module Qualitätssicherung PV- Module und Systeme Ertragsnachweise Kraftwerksinspektion und -prüfung Überwachung CalLab PV Module 2

3 Einleitung Arbeitsgebiete und Themenbereiche niederkonzentrierende PV Leichtbaumodule systemintegrierte Module PV-Thermische Kollektoren (direkt laminiert) gebäudeintegrierte PV unter Einsatz innovativer Materialien aus der Bauindustrie 3 Modul für Systemintegration LowCon-Reciever mit MWT Modul für Systemintegration

4 Einleitung Bestimmung des Zelle-zu-Modul Faktors aus Messungen CTM = Cell to Module Ratio Beschreibt alle Effekte, welche durch Verlötung und Einbettung der Zellen entstehen CTM Faktoren werden bei Standard Test Bedingungen (STC) angegeben 4 Wenn die CTM-Kennzahl gemessen wird, ist es notwendig eine einheitliche Sprache zu Verwenden.

5 Einleitung Bestimmung des Zelle-zu-Modul Faktors aus Messungen CTM-Faktoren werden beschrieben als: absoluter Wert relativer Wert Verhältnis: (relativ) Differenz: (absolut) Leistung CTM Power [%] 1 CTM Power P Modul P Zelle [ Watt] PModul - PZelle CTM Effizienz CTM Effizienz Effizienz [%] 1 Modul Zelle [%] Modul - Zelle CTM-Faktoren können zusätzlich angegeben werden für den: Füllfaktor elektrische Verluste Kurzschlussstrom optische Gewinne oder Verluste 5

6 Einleitung Motivation Multi-Wire Verbindungstechnologie kommerzielle Zelleffizienzen von über 20 % kommerzielle Moduleffizienzen im Bereich von 16 19% Zelle-zu-Modul Verhältnisse werden selten im Detail veröffentlicht innovative Modultechnologien machen Verschaltung zu einem Teil der Zellentwicklung (z.b. Multi-Wire) Verkapselung hat einen starken Einfluss auf die optischen Eigenschaften, was bei der Zellentwicklung berücksichtigt werden sollte 6 Hauptziel: Übertragung der Zelleffizienz auf die Modulebene

7 Einleitung Zielsetzung Überblick über CTM-Effekte einfache Methodik für die Analyse eines bestimmten Modul Set-Ups, basierend auf einer Reihe von einfachen Messungen Darstellung der Spannbreiten von Leistungsgewinnen oder verlusten im Bezug auf die jeweiligen Gewinn- und Verlustmechanismen 7 datasheet Sanyo HIT-N235SE10

8 power [W] Einleitung Überblick über Leistungsgewinne und -verluste sum cell power glass reflection (1) glass absorption (2) Optische Verluste reflection glass/encap (3) encapsulant abs. (4) shading of ribbon (5) coupling cell surface (6) coupling finger (7) Optische Gewinne coupling intercon.(8) coupl. backsheet (9) cell interconnection (10) Elektrische Verluste string interconnection (11) module power gains losses 8

9 efficiency [%] Einleitung Überblick über Effizienzgewinne und -verluste cell efficiency STC 1.79 module border area (1) Inaktive Flächen 0.72 cell spacing area (2) 0.69 glass reflection (3) Optische Verluste Optische Gewinne Elektrische Verluste glass absorption (4) encapsulant abs. (6) reflection glass/encap (5) 0.32 shading of ribbon (7) 0.21 coupling AR (8) 0.32 coupling finger (9) coupling intercon. (10) coupl. backsheet (11) 0.51 cell interconnection (12) 0.04 string interconnection (13) gains losses module efficiency STC

10 Funktionsweise des Kalkulationsmodells Leistungsberechnung P mod P cell n k [1] k [2]... k[ j] k [1]...Reflexion Glas P 0 P 1 k [2]...Absorption Glas P 2 k k k i i i...relativer Verlust - /Gewinnfaktor 1: relativer Verlust 1: relativer Gewinn 10

11 power [W] Überblick über Leistungsgewinne und -verluste sum cell power glass reflection (1) glass absorption (2) Optische Verluste reflection glass/encap (3) encapsulant abs. (4) shading of ribbon (5) coupling cell surface (6) coupling finger (7) coupling intercon.(8) coupl. backsheet (9) cell interconnection (10) string interconnection (11) module power gains losses 11

12 Optische Gewinne und Verluste (1) bis (9) Überblick 1 2 Glass Encapsulant Cell Encapsulant Backsheet In abgeänderter Form von: McIntosh et al., 2009, 34 th PVSC IEEE, pp

13 Effektiver Reflektionsgrad und Absorbtionsverluste (1) (4) Bestimmung der Materialparameter FTIR-Spektroskopie eines Materials gegen die Luft Glas (nicht texturiert, unbeschichtet) Laminierte Verkapselung mit glatter Oberfläche n 0 =1 n 1 d 1 t bulk R 01 r T 10 T 10 T 01 R 01 R 01 R 10 R 10 n 0 =1 T 10 T 10 T 10 t bulk =1- a bulk Abb.: Transmission durch eine schlichte komplanare Schicht eines vertikal eingestrahlten Lichtstrahls t 13 S. Krauter, Köster Verlag Berlin ISBN

14 normalized values [ ] Effektiver Reflektionsgrad und Absorbtionsverluste (1) (4) Beispiel Glasverluste (3) + (4) I AM SR cell R glass 01 a glass bulk wavelength [nm] Abb.: Gemessener und berechneter spektraler Reflexionsgrad des Glases bezogen auf die Sonnenspektren AM1.5 und die spektrale Empfindlichkeit einer Solarzelle 14

15 power loss [W] bulk absorbance a encap [%] bulk power loss P [4] [W] Effektiver Reflektionsgrad und Absorbtionsverluste (1) (4) Beispiele für die Absorbtionsverluste der Verkapselung (4) power loss wavelength [nm] EVA A EVA B* a encap bulk P [4] A B C D E F G EVA C Silicone PVB PO PO* Abb.: Theoretischer absoluter Energieverlust mit wachsendem UV- Cutoff Abb.: Effektive Absorbtion und absoluter Energieverlust 15

16 Abschattung des Frontbusbars (5) Ursache: Silbereinsparung in der Zellmetallisierung Verringerung der Abschattung auf Zellebene erhöhte Zelleffizienz, die nicht auf die Modulebene übertragen werden kann abhängig von der exakten Geometrie der Busbars und der Zelle, relative Leistungsverluste zwischen 1,9 und 2,4% oben: Datenblatt QCells, Q6LXP3-G2 unten: Datenblatt JA Solar, JACM6SR-3 16

17 power [W] Überblick über Leistungsgewinne und -verluste sum cell power glass reflection (1) glass absorption (2) Optische Verluste reflection glass/encap (3) encapsulant abs. (4) shading of ribbon (5) coupling cell surface (6) Optische Gewinne coupling finger (7) coupling intercon.(8) coupl. backsheet (9) cell interconnection (10) string interconnection (11) module power gains losses 17

18 Optische Gewinne und Verluste (1) bis (9) Optische Gewinne (6) bis (9) In abgeänderter Form aus: McIntosh et al., 2009, 34 th PVSC IEEE, pp

19 Ertrag aus Lichtkopplung an Zelloberfläche (6) (8) Messaufbau Kopplungsgewinn I sc umfassst: Reflexionsgrad an Verkapselung Absorbtionsgrad an Verkapselung Direkte Lichtkopplung durch Anpassung des Brechungsindex an Zelloberfläche Indirekte Lichtkopplung ** der Zelloberfläche der Metallisierung der Finger des Bändchens Die kontaktierte Solarzelle wird gegen Luft und Eingekapselung vermessen (ohne Glas) finger I sc ribbon encapsulant cell cell Backsheet 19 *berechnet für die Schnittstelle Luft/ Verkapselung **Absorbtionsverluste des rückreflektierten Lichtes in der Verkapselung sind miteinbezogen nicht

20 Ertrag aus Lichtkopplung an Zelloberfläche (6) (8) Messaufbau Kopplungsgewinn I sc umfassst: Reflexionsgrad an Verkapselung Absorbtionsgrad an Verkapselung Direkte Lichtkopplung durch Anpassung des Brechungsindex an Zelloberfläche Indirekte Lichtkopplung ** der Zelloberfläche der Metallisierung der Finger des Bändchens Die kontaktierte Solarzelle wird gegen Luft und Eingekapselung vermessen (ohne Glas) finger I sc ribbon encapsulant cell cell Backsheet 20 *berechnet für die Schnittstelle Luft/ Verkapselung **Absorbtionsverluste des rückreflektierten Lichtes in der Verkapselung sind miteinbezogen nicht

21 Ertrag aus Lichtkopplung an Zelloberfläche (6) (8) Variation der Lichtkopplung für verschiedene Zelloberflächen (Isc,encap - Isc,air) / Isc,air [%] Abb.: prozentuale Veränderung des Kurzschlussstroms für gekennzeichnete Zellen, eingekapselt mit standard EVA, einem eisenarmen Glas mit Antireflextionbeschichtung und schwarzem Backsheet poly, SiNx UMG, SiNx mono, SiNx mono, selective emitter, SiNx mono, selective emitter type 2 mono, selective emitter, SiNx/SiOx measurement value mean value mono, IBC, SiNx/SiOx mono, selevtive emitter type 3 Lichtkopplung hängt stark von der Qualität der Zelltextur und von der Beschichtung ab Je niedriger der Reflexionsgrad an der Zelloberfläche desto höher die anfängliche Effizienz desto niedriger der Kopplungsertrag

22 Ertrag aus Lichtkopplung an Zelloberfläche (6) (8) Messaufbau Kopplungsgewinn Rib 5 std Rib 6 Effektive Breite (EW) der Zelleverbinder oder Finger gibt an, wieviel des einfallenden Lichtes zurück auf die Zelle reflektiert werden kann 22 *berechnet für die Schnittstelle Luft/ Verkapselung **Absorbtionsverluste des rückreflektierten Lichtes in der Verkapselung sind miteinbezogen nicht

23 Ertrag aus Lichtkopplung an Zelloberfläche (6) (8) Messaufbau Kopplungsgewinn Effektive Breite (EW) der Zelleverbinder oder Finger gibt an, wieviel des einfallenden Lichtes zurück auf die Zelle reflektiert werden kann 23 R. Woehl et al *berechnet für die Schnittstelle Luft/ Verkapselung **Absorbtionsverluste des rückreflektierten Lichtes in der Verkapselung sind miteinbezogen nicht

24 Optische Gewinne und Verluste (1) bis (9) Optische Gewinne (6) bis (9) In abgeänderter Form aus: McIntosh et al., 2009, 34 th PVSC IEEE, pp

25 reflectance [%] Lichtkopplung aus der Zellumgebung (9) Reflektion des Backsheets und Veränderung beim I sc backsheet 1_global backsheet 1_diffuse backsheet 2_global backsheet 2_diffuse backsheet 3_global backsheet 3_diffuse wavelength [nm] Abb.: global-hemisphärischer und diffuser Reflektionsgrad für verschiedene Backsheet-Materialien only small direct reflection of backsheets observed Abb.: gemessener Anstieg im Zellstrom bei wachsender Entfernung für verschiedene reflektierende Rückseitenmaterialien 25

26 reflectance [%] (I sc,n mm -I sc,0 mm )/I sc,0 mm [%] Lichtkopplung aus der Zellumgebung (9) Reflektion des Backsheets und Veränderung beim I sc backsheet 1_global backsheet 1_diffuse backsheet 2_global backsheet 2_diffuse backsheet 3_global backsheet 3_diffuse wavelength [nm] Abb.: global-hemisphärischer und diffuser Reflektionsgrad für verschiedene Backsheet-Materialien only small direct reflection of 7.0 backsheets observed backsheet 1 backsheet 2 backsheet 3 white EVA cell distance [mm] Abb.: gemessener Anstieg im Zellstrom bei wachsender Entfernung für verschiedene reflektierende Rückseitenmaterialien 26

27 reflectance [ ] power gain [W] Lichtkopplung aus der Zellumgebung (9) Reflektion des Backsheets k k g, e, r, I [ 9] [9]( backsheet sc ) R backsheet 01 power gain 50 0 backsheet 1 backsheet 2 backsheet Abb.: Nomenklatur für Kantenlängen an der Zelle entlang Abb.: Reflektionsgrad und Leistungsgewinn für drei verschiedene Backsheet-Materialien 27

28 power [W] Überblick über Leistungsgewinne und -verluste sum cell power glass reflection (1) glass absorption (2) Optische Verluste reflection glass/encap (3) encapsulant abs. (4) shading of ribbon (5) coupling cell surface (6) coupling finger (7) Optische Gewinne coupling intercon.(8) coupl. backsheet (9) cell interconnection (10) Elektrische Verluste string interconnection (11) module power gains losses 28

29 Elektrische Verluste (10) bis (11) Widerstandsverluste im Bändchen cell front cell back P I 2 R n-pad p-pad Kontaktwiderstand Kupferwiderstand Zellzwischenräume String- Verbinder P [ 10] n Pcell n Pribbon, front Pribbon, back Pcontact, front P contact, back I 2 2 k, 1 R ribbon ( Ik, 1 Ik,2) Rribbon R ribbon gemessener effektiver Widerstand I k,1 I k,2 I k,j cell gap I k, sum MPP Strom verringert durch optische Faktoren k [1] to k [9] 29 see also Geipel et. al., Silicon PV conference 2014

30 power loss P [10] [W] Elektrische Verluste (10) bis (11) Widerstandsverluste im Bändchen 15 gap loss string connection loss 2% 8% 1% contact loss mm 0.15 mm 0.2 mm % ribbon loss width [mm] Abb.: Beispiel für elektrische Verluste in verlötetem 60-Zellen- Modul Abb.: Energieverlust für unterschiedliche Bändchenbreite und -dicke 30 see also Geipel et. al., Silicon PV conference 2014

31 Zusammenfassung CTM unterscheidet sich stark für verschiedene Zellkonzepte (multi vs. mono, bifazial, IBC, MWT) Hocheffiziente Solarzellen mit niedrigerem ursprünglichem Reflexionsgrad profitieren weniger von Kopplungserträgen Mehrertrag durch Backsheets im Bereich von 4 Watt Viele Effekte im Modul beeinflussen sich gegenseitig und müssen ganzheitlich optimiert werden 31

32 Ausblick Erweiterung des elektrischen Modells bis hin zur Zellmetallisierung um Multiwirekonzepte zu optimieren Erweiterung der Leistungsbestimmung um veränderliche Sonnenspektren und verschiedene Lichtstreuungen /Winkel Entwicklung eines Ertragsmodells, welches den Modulaufbau berücksichtigt 32

33 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! Ingrid Hädrich 33