URSACHENFORSCHUNG AN MODULDEFEKTEN: BEISPIEL SCHNECKENSPUREN

Transkript

1 4. PV-Symposium, Bitterfeld-Wolfen, URSACHENFORSCHUNG AN MODULDEFEKTEN: BEISPIEL SCHNECKENSPUREN Sylke Meyer, Susanne Richter, Marcus Gläser, Sebastian Timmel, Christian Hagendorf Dr. Sylke Meyer Diagnostik Solarzellen Fraunhofer-Center für Silizium Photovoltaik CSP Otto-Eißfeldt-Str Halle (Saale) Tel: Fax:

2 Defekte an PV-Modulen Delamination Schneckenspuren Abriss Lötband Potentialinduzierte Degradation (PID) Zellbrüche 2

3 Messaufbau zu hoch-ortsaufgelöste korrelativen Modulinspektion 3

4 Leistungsfähigkeit des Messaufbaus Ermöglicht: Analyse extrinsischer und intrinsischer Defekte innerhalb eines Moduls ohne Präparation (zerstörungsfreie Prüfung) Optische Inspektion (VIS) auf Modulebene Von Einzelzellen-Aufnahmen bis Modulmikroskopie Maximales Auflösungsvermögen bis 2 µm Elektro-optische Inspektion (Elektrolumineszenz) Einzelzellen-EL (Durchfluss- und Sperrrichtung ReBEL)) µ-el und µ-rebel bis zu einer Auflösung von 5 µm Kombination beider Messsysteme zur Korrelativen Modulinspektion 4

5 Beispiel Anwendung Gebrochener Busbar nach Dynamisch-mechanischen Belastungstest Risse in Zellen 5

6 Was sind Schneckenspuren? europe-solar.de 6

7 Dunkle Streifen am Rand oder quer über Zelle 50% aller sichtbaren Moduldefekte nach einigen Monaten Freifeldbetrieb sind Schneckenspuren [1] Bisher keine Leistungseinbußen aufgrund von Schneckenspuren beobachtet [2], Langzeiteffekte noch nicht untersucht Ursachenverständnis ist notwendig zur Vermeidung 7 [1] Joachim Treder, 9. Workshop Photovoltaik-Modultechnik TÜV Rheinland, 2012 [2] Photon, 01/2012, Unlocking the secret of snail tracks

8 Schneckenspuren und Zellrisse EL image photograph Strenge Korrelation von Schneckenspuren zu Zellrissen oder Zellrändern 8

9 Ursache für dunkle Streifen? 9

10 Ursache für dunkle Streifen? 10

11 Ursache für dunkle Streifen? 11

12 Ursache für dunkle Streifen? 12

13 Lokal verfärbte Kontaktfinger 1 mm Kontaktfinger weisen entlang der Schneckenspuren eine braune Verfärbung auf Die Zelloberfläche ist nicht verfärbt 13

14 Lokalisation der Verfärbung auf mikroskopischer Ebene Front glass Encapsulant Cell with grid fingers Encapsulant Back sheet foil Schneckenspuren am Zellrand 14

15 Lokalisation der Verfärbung auf mikroskopischer Ebene Front glass Encapsulant Cell with grid fingers Encapsulant Back sheet foil Schneckenspuren am Zellrand Die Verfärbungen befinden sich hauptsächlich in der Einkapselungsfolie direkt oberhalb der Kontaktfinger 15

16 Ursachenaufklärung mittels Elektronenmikroskopie FIB Lamelle (Draufsicht): TEM an EVA-Querschnitt: discolored EVA 1000 µm Clear EVA In der Einkapselungsfolie findet sich an verfärbten Stellen eine hohe Dichte an Partikeln (10-50 nm) 16 Nanopartikel = Ursache für Braunfärbung

17 Chemische Charakterisierung der Nanopartikel discolored EVA Ag C TEM an EVA Querschnitt Vergrößerte TEM-Aufnahme EDX Map Die Partikel enthalten hauptsächlich Ag Die Polymer-Matrix (C) ist reduziert an der Position der Partikel 17 Silber-Nanopartikel weisen eine Braunfärbung auf

18 Entwicklung eines Labor-Prüfverfahrens Minimodule mit einer Zelle Variation von Einkapselungs- und Rückseitenfolie Bedingungen: 85 C, 85% humidity, 8 A Testdauer: h 18

19 Labor-Prüfkörper bilden echte Schneckenspuren Kontaktfinger am Zellrand resistente Folienkombination Vor DH-Test 500h DH-Test 1000h DH-Test Sensitive Folienkombination 19

20 Labor-Prüfkörper bilden echte Schneckenspuren Kontaktfinger am Zellrand ToF-SIMS: Ag-Map resistente Folienkombination Vor DH-Test 500h DH-Test 1000h DH-Test Sensitive Folienkombination 20

21 Labor-Prüfkörper bilden echte Schneckenspuren Kontaktfinger am Zellrand ToF-SIMS: Ag-Map resistente Folienkombination Vor DH-Test 500h DH-Test 1000h DH-Test Sensitive Folienkombination Die Bildung von Schneckenspuren ist abhängig von der Art der verwendeten Polymerfolien 21

22 Identifizierung sensitiver Folienkombinationen Systematische Untersuchung verschiedener Folienarten: Einkapselungsfolien (EVA und Polyolefin) Rückseitenfolien (PA- und PET-basiert) no Back sheet foil: Type 1 Type 2 Type 3 Type 4 Type 5 Type 6 Type 7 encapsulant #1 yes encapsulant #2 no encapsulant #3 yes no yes no no no no encapsulant #4 no no yes encapsulant #5 yes no Aktuell: Chemische Charakterisierung der sensitiven Folien (Additive) 22

23 Modell für die Entstehung von Schneckenspuren Glass cell with crack Encapsulant Backsheet 23

24 Modell für die Entstehung von Schneckenspuren Glass Encapsulant cell with crack Backsheet H 2 O Feuchtigkeit aus der Umgebung kann durch die Rückseitenfolie in das Modul eindringen Die Zellen bilden eine Bariere, die die Oberseite vor Feuchtigkeit schützt. 24

25 Modell für die Entstehung von Schneckenspuren Glass Encapsulant cell with crack Backsheet H 2 O Feuchtigkeit kann durch die Rückseitenfolie in das Modul eindringen Die Zellen bilden eine Barriere, die die Oberseite vor Feuchtigkeit schützt. Nur an den Rändern oder an Rissen kann Feuchtigkeit an die Oberseite gelangen 25

26 Modell für die Entstehung von Schneckenspuren Glass Ag + Ag + Ag + Ag + cell with crack Backsheet Feuchtigkeit kann durch die Rückseitenfolie in das Modul eindringen Die Zellen bilden eine Barriere, die die Oberseite vor Feuchtigkeit schützt. Nur an den Rändern oder an Rissen kann Feuchtigkeit an die Oberseite gelangen Ag + löst sich aus den Kontaktfingern und diffundiert in die Einkapselungsfolie 26

27 Modell für die Entstehung von Schneckenspuren Glass Ag Ag Ag Ag cell with crack Backsheet Feuchtigkeit kann durch die Rückseitenfolie in das Modul eindringen Die Zellen bilden eine Barriere, die die Oberseite vor Feuchtigkeit schützt. Nur an den Rändern oder an Rissen kann Feuchtigkeit an die Oberseite gelangen Ag + löst sich aus den Kontaktfingern und diffundiert in die Einkapselungsfolie In Gegenwart bestimmter Additive findet eine Reduktion zu metallischen Silber statt; Silbernanopartikel verursachen die typische Braunfärbung. Der Zelltyp oder die Pastenzusammensetzung haben keinen Einfluss 27

28 Schneckenspuren führen NICHT zu Ertragsverlusten cell with crack Verfärbung nur im Bereich der Kontaktfinger keine Verringerung der aktiven Fläche Querschnitt der Kontaktfinger nicht verändert: Querschnitt Referenz Kontaktfinger Querschnitt verfärbter Kontaktfinger 28

29 Ausblick Weitere systematische Untersuchung verschiedener Folientypen Identifizierung der Reaktionspartner für die Reduktion Ag + Ag Entwicklung eines Schneckenspurschnelltestes Danksagung: Fraunhofer Innovationscluster SolarKunststoffe (Finanzierung) Hanwha Q-Cells (Diskussionen, Materialien, spezielle Proben) Dr. U. Braun (BAM) (Folienanalysen und Diskussionen) 29