Analysemethodik für EVA-Folien und Ihre Relevanz für aktuelle Feldfehler

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1 Analysemethodik für EVA-Folien und Ihre Relevanz für aktuelle Feldfehler J. Berghold 1) & T. Shioda 2) 1) PI Berlin 2) Mitsui Chemicals 13. Modulworkshop Photovoltaik Modultechnik 28. November 2016 Köln

2 PI Berlin 2

3 Internationale Präsenz PI Photovoltaik-Institut Berlin AG 3

4 Agenda 1. Einleitung & Motivation 2. Relevanz des Einkapslungsmaterials in Hinblick auf Feldfehler 3. Qualitätskontrolle & Fehleranalyse 4. Praxisbeispiele für Fingerprint-Test 5. Zusammenfassung 4

5 1. Einleitung & Motivation Beobachtung: Bei Langzeitstabilität von PV-Modulen zunehmender Fokus auf Einkapslungsmaterial bei Modul-Fehleranalyse und Qualitätssicherung/ Prävention Grund 1: Zunehmender Anteil von Feldfehlern im Zusammenhang mit Einkapslungsmaterial z.b. PID, Schneckenspuren Delamination, Framing, Korrosion, Verfärbungen etc. 5

6 1. Einleitung & Motivation Grund 2: Zunehmender Anteil von PV-Installationen in extremeren Klimaten Quelle: Bloomberg Global PV Market Outlook

7 1. Einleitung & Motivation Ausgleich/ Aufnahme von thermischen Spannungen/ Gradienten Mechanischer Schutz / Module Matrix Optische Kopplung/ Transmission Wasser(dampf)barriere Chemischer Schutz/ Chemische Stabilität Einkapslungsmaterial Elektrische Isolierung Eigenschaften: Gute Haftung Chemisch resistent Gute Transmission Hohe UV Stabilität Geringe Wasseraufnahme & WVTR Langzeitsstabilitäts-relevante Eigenschaften immer wichtiger 7

8 Berghold, J., Pingel, S., Janke, S. et.al., SPIE Optics + Photonics, DOI: / Relevanz des Einkapslungsmaterial für Feldfehler EVA als Trägermaterial/ Medium für Ladungs- und Stofftransport Relevant für PID, Korrosion und Schneckenspuren Ziel: Hoher Volumenwiderstand, Geringe Leckströme, Geringer Ionentransport EVA als Reaktionspartner Einfluss von EVA-Komponenten/Zersetzungsprodukten (z.b. Essigsäure) Relevant für Schneckenspuren, Korrosion und Verfärbungen Ziel: Vermeidung von chemischen Reaktionen im Modul EVA-Additive (z.b. Haftvermittler, UV-Blocker etc.) Fehlen bestimmter Additive, ungeeignete Zusammensetzung und Konzentration Relevant für Delamination, Verfärbungen/Degradationen etc. Ziel: Sicherstellung bestimmter Eigenschaften (Haftung, UV-Schutz etc.) Einfluss des EVAs auf Feldfehler indirekt oder direkt! 8

9 2. Relevanz des Einkapslungsmaterial für Feldfehler Direkter Einfluss : Failure mode Veränderungen/Vorgänge im EVA Ursache Verfärbungen/ Browning Chemische Zersetzung Reaktion von Additiven oder Essigsäure Delamination Schlechte Haftung direkt nach Produktion Bindungen/ Bindungskräfte ungenügend Schlechte Haftung nach Alterung durch Brechen von Bindungen Korrosion Wassereintrag aufgrund von Delaminationen Freisetzung von Essigsäure im EVA Formulierung/ Zusammensetzung des EVA Formulierung EVA Art des Haftvermittlers Historie des Moduls Thermische und UV- Belastungen Formulierung/ Zusammensetzung des EVA 9

10 2. Relevanz des Einkapslungsmaterial für Feldfehler - Beispiel Browning - Xe - Licht Glas EVA BS (Al) YI/ Browning -Verlauf sehr unterschiedlich in Abhängigkeit von EVA- Zusammensetzung Besonders relevant für Standorte mit extrem hoher Einstrahlung (z.b. Chile) 10

11 2. Relevanz des Einkapslungsmaterial für Feldfehler - Beispiel Delamination - Unterschiedliche Haftungskräfte nach UV-Alterung Delaminationsrisiko abhängig von EVA-Zusammensetzung und Standort 11

12 2. Relevanz des Einkapslungsmaterial für Feldfehler - Beispiel Schneckenspuren- variierte EVA-Komponente - Zellen: (reaktive) Metallisierung - EVA: unterschiedliche Zusammensetzung ( kritische Komponenten ) Reference ( Kritisches EVA) Vernetzer 1,2 Vinyl acetate 1,2 Additive 1,2, 3 Untersuchung des Einflusses unterschiedlicher EVA-Komponenten auf Schneckenspuren 12

13 2. Relevanz des Einkapslungsmaterial für Feldfehler - Beispiel Schneckenspuren- Name of Sample 002A 003A 004A 005A 007A 008A Keine visuellen Veränderungen Leichte Schneckenspuren Deutliche Schneckenspuren INDOOR OUTDOOR Encapulant variation Initial readout after 1 st UV 30 kwh/m² after 1 st Damp Heat 250h after 2 nd UV 30 kwh/m² Final (after 2 nd Damp Heat 250h) Curing Agent 1 Additives Type 1 Curing Agent 2 Additives Type 2 non EVA PI Reference Name of Sample 002A 003A 004A 005A 007A 008A Encapsulant variation Curing Agent 1 Initial readout Additives Type 1 Curing Agent 2 Additives Type 2 non EVA PI Reference after 1st month outdoor after 2nd month outdoor Identifikation von kritischen EVA-Komponenten 13

14 2. Relevanz des Einkapslungsmaterial für Feldfehler - Beispiel Schneckenspuren- Sehr unterschiedliches Erscheinungsbild abhängig von EVA-Komponente Passt zu Feldbeobachtungen 14

15 3. Qualitätskontrolle & Fehleranalyse Analysemethoden für Einkapslungsmaterialien in PV-Modulen Qualitätskontrolle: Vermeidung von Feldfehlern Feldfehleranalyse: Ursachenforschung Finger print Test: Qualitative und quantitative chemische Analyse Bestätigung der BOM Identifizierung fehlerhafter Formulierungen (z.b. fehlender Haftvermittler) Volumenwiderstandsmessungen Haftungsuntersuchungen/ Abzugstest EVA/ Glas, EVA/BS Vernetzungsgradbestimmung (z.b. Gel content, DMA)

16 3. Qualitätskontrolle & Fehleranalyse - Finger Print Test - Fingerprint -Test zur Bestätigung BOM (z. B. für Solarprojekte): 1. EVA Probenentnahme 2 Proben - Probe 1: EVA Probe aus Modulbatch (aus Modulieferung, Kraftwerksmodulen etc.) - Probe 2: unlaminierte EVA Probe direkt aus der Produktion (EVA entspr. Herstellerangaben) 2. Qualitative und quantitative Analyse (GC-MS, IR) 3. Vergleich der Analyseergebnisse beider Proben 4. Bestätigung/Widerlegung: korrektes EVA?

17 4. Praxisbeispiele für Fingerprint-Test - Verifizierung BOM- Beispiel 1: Qualitätskontrolle für 20 MW Kraftwerksprojekt in Japan Netzanschluss 6/2015 Involvierte Parteien: - großer chinesische Modulhersteller - EPC - PI Berlin für Qualitätskontrolle: a) Fabrikaudit + Produktionsbegleitung (PI Berlin/PI China) b) Stichproben-Qualitätskontrolle bei PI China c) Moduleinspektion im Kraftwerk / Abnahme (PI Berlin/Mitsui) Hauptziel des Finger print tests : Bestätigung : EVA (Kraftwerksmodule) = vereinbartes EVA (BOM) 17

18 Fabrikaudit in China 4. Praxisbeispiele für Fingerprint-Test - Verifizierung BOM- Beispiel 1: Qualitätskontrolle für 20 MW Kraftwerksprojekt in Japan Qualitätskontrolle bei PI China Kraftwerkserrichtung/ -abnahme in Japan Probenentnahme fresh EVA Referenzmaterial von beschrifteter Rolle) Probenentnahme cured EVA aus Stichprobe für QC an Kraftwerksmodulen herauspräparierte EVA-Probe aus PV-Modul: links: Rückseite, rechts: Vorderseite

19 4. Praxisbeispiele für Fingerprint-Test - Verifizierung BOM- Beispiel 1: Qualitätskontrolle für 20 MW Kraftwerksprojekt in Japan Ansatz Fingerprint -Test: 1.) Qualitative Analyse: Soxhlet-Extraktion + GC-MS-Analyse Vergleich der Lage der Peaks 2.) Quantitative Analyse Vergleich der Peakhöhen im GS-MS-Spektrum mit Kalibierspektrum 19

20 4. Praxisbeispiele für Fingerprint-Test - Verifizierung BOM- Beispiel 1: Qualitätskontrolle für 20 MW Kraftwerksprojekt in Japan Quantitative Analyse in Kooperation mit Mitsui Chemicals: Vergleich der Konzentrationen ausgewählter Additive ( unveränderte Konz. nach Lamination / Feldeinsatz) additives type fresh EVA cured EVA curing agent a not detected not detected b c UV absorber a light stabilizer a anti-oxidant a b coupling agent a 0.10 detected* Ergebnis: EVA-Formulierung nicht konform/ EVA-Material nicht identisch! Teilweise drastische quantitative Unterschiede bei Additiven (z.b. Konzentration Antioxidant B zehnfach niedrigere Konzentration im cured EVA als in Referenzmaterial ) 20

21 4. Praxisbeispiele für Fingerprint-Test - Verifizierung BOM- Beispiel 2: Reklamation bezüglich x MW Produktionsvolumen eines OEM- Modulherstellers Involvierte Parteien: - Kläger: Markenhersteller Garantiegeber gegenüber Endkunden - Beklagte: OEM-Hersteller Herstellung/Lieferung von x MW an den Markenhersteller /Kläger Liefervertrag umfasste unterschiedliche, vereinbarte BOMs - PI Berlin: Gutachter / Experte für die Seite des Klägers Ausgangssituation: PID-Feldausfälle mit OEM-Modulen an unterschiedlichen Standorten weltweit Erste Kundenreklamationen/Garantiefälle von Endkunden + weitere erwartet 21

22 4. Praxisbeispiele für Fingerprint-Test - Verifizierung BOM- Beispiel 2: Reklamation bezüglich x MW Produktionsvolumen eines OEM- Modulherstellers Module number Status P MPP [W] Power deviation [%] initial after PID Not detectable -100 initial after PID Not detectable -100 initial after PID Not detectable -100 initial after PID Not detectable -100 initial after PID Not detectable -100 initial after PID Not detectable -100 PID quality category (PI Berlin) C C C C C C LAB: PID Sensitivitätstest mit unterschiedlichen BOMs Bestätigung der extremen PID-Empfindlichkeit 22

23 4. Praxisbeispiele für Fingerprint-Test - Verifizierung BOM- Beispiel 2: Reklamation bezüglich x MW Produktionsvolumen eines OEM- Modulherstellers ent 1 Position within PV- String ( 1 = Negative Pole)* Power deviation with respect to label ,2 19 1,2 Storage 2.0 Storage Karibische Insel 0.9 Storage 1,8 Storage 2,2 Deutschland fortgeschrittene PID im Kraftwerk in unterschiedlichem Stadium - bestätigt Feld: Systematische Überprüfung der Module (mit betroffener BOM) in Kraftwerken an unterschiedlichen Standorten 23

24 4. Praxisbeispiele für Fingerprint-Test - Verifizierung BOM- Beispiel 2: Reklamation bezüglich x MW Produktionsvolumen eines OEM- Modulherstellers Hauptziel des Fingerprint-Tests : Überprüfung. Hat OEM-Hersteller (bei der Herstellung der offenbar extrem PID-sensitiven Modulen) nach vereinbarter BOM/ Spezifikation produziert? Eventuelle Verwendung für juristische Zwecke (wenn EVA nicht entspr. BOM) Herangehensweise: 1.) Qualitative Analyse der Additives des Referenzmaterials (vom Hersteller) und der EVA-Probe vom PID sensitiven OEM-Modul 2.) Quantitative Analyse für 2 Additive (UV absorber and light stabilizer) für beide EVA-Proben Grund: Menge/Konzentration dieser Additive bleibt unverändert bei Lamination und Feldeinsatz 24

25 4. Praxisbeispiele für Fingerprint-Test - Verifizierung BOM- Beispiel 2: Reklamation bezüglich x MW Produktionsvolumen eines OEM- Modulherstellers Qualitative Analyse: Soxlett Extraktion der Additive + Gaschromatografie-Massenspektroskopie (GC-MS): Analytischer Vergleich zwischen Referenz und Testsample anhand von 5 Additiven: additives type Reference Mitsui's EVA Test sample a detected detected residual curing agent UV absorber light stabilizer anti-oxidant b detected detected c detected detected d not detected not detected e detected detected f not detected not detected g detected detected h not detected not detected i detected detected j not detected not detected coupling agent k detected detected Qualitative und quantitative Übereinstimmung konnte festgestellt werden Korrektes EVA! 25

26 5. Zusammenfassung Bei Langzeitstabilität von PV-Modulen zunehmender Fokus auf Einkapslungsmaterial Chemische Zusammensetzung des EVA zunehmend relevant! bei aktuellen Feldfehlern (z.b. Schneckenspuren und Delaminationen) in extremeren Klimaten (z.b. höhere Einstrahlung) Fingerprint-Test als innovatives Tool für Qualitätskontrolle, Fehleranalyse und Begleitung von Reklamationsprozessen

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