POTENTIALINDUZIERTE DEGRADATION (PID): TESTVERFAHREN IM LABOR UND FREIFELD

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1 POTENTIALINDUZIERTE DEGRADATION (PID): TESTVERFAHREN IM LABOR UND FREIFELD , 12. Workshop PV-Modultechnik TÜV, Köln Christian Hagendorf, Dominik Lausch, Volker Naumann, Stephan Großer, Jörg Bagdahn Thanks to PV Guider/Taiwan, 2015

2 Agenda Warum PID-Tests? PID Grundlagen PID Modultest (IEC Standard) PID Tests von der Solarzelle bis zum Solarmodul Testprozedur Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit Vergleich zwischen Solarzellen-Test und Modul-Test Freifeld PID-Prüfung Zusammenfassung

3 Warum PID-Tests? Produktversagen kommerzieller PV-Module PV-Magazin Umfrage (01/2015): mindestens 160 MWp betroffen

4 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 seriell verschalteten Modulen SMA Solar [1] P. Hacke et al., Proc. of 25 th EU-PVSEC, Valencia, Spain, 2010 [2] S. Pingel et al., Proc. of 35 th IEEE PVSC, Honolulu, USA, 2010

5 PID an Solarzellen Ursache und Versagensmechanismus Lamelle PID-s PID-s Lamella TEM Surface 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 [1] Naumann, V. et al., Energy Procedia 33, S

6 Wissenschaftlicher Hintergrund der PID-Tests erforderlich für Definition von Testparametern und Einflussfaktoren Untersuchung von Potentialinduzierter Degradation durch Überbrückung ( Shunting ) des p-n Übergangs PID-s Planare Defekte in Si {111} Ebenen Stapelfehler dekoriert mit ~1 Monolage Natrium Hohe elektrische Leitfähigkeit Messung des Shunt-Widerstands R p, um PID-Zustand zu quantifizieren

7 Produktqualitäts-Test IEC Standard für den PID Modultest (IEC TS) Auf Modul-Level: PID-Teststandard verfügbar - IEC TS Prozedur (b): Kontaktierung der Oberfläche mit einer geerdeten, elektrisch leitfähigen Elektrode; in kontrollierter Umgebung Klimakammer Parameter: V + - Frontkontakt Metallfolie Glas Solarzelle EVA Rückkontakt Rückseitenfolie R Modul mit Al-Folie auf Glasoberfläche in Klimakammer Temperatur: z.b. 60 C geringe Luftfeuchtigkeit Dauer: 168 h Spannung: 600 V, 1000 V oder 1500 V

8 Parallel resistance Rp [ ] Wie misst man PID? PID-s erzeugt Shunts 1000 Parallelwiderstand R p, zur Quantifizierung von PID-s high voltage +600 V on ~ 5 % relative efficiency loss Degradation time [h] Schwellenwert R p Abnahme der Ausgangsleistung um 5 % (STC) R p -Wert hängt mit Leistungsabfall zusammen Pass/Fail-Kriterium sollte individuell definiert werden

9 Test-Setup für die Produktionskette Solarzellen, Polymere, Mini-Module Solarzellen-Test PIDcon Mini-Modul-Test Klimakammer vs V + - Klimakammer Metallfolie Glas Frontkontakt Solarzelle EVA Rückkontakt Rückseitenfolie R PIDcon Klimakammer Testsverfahren mit Solarzellen aus einer Charge verglichen PID-Tests mit mehreren Zellen durchgeführt exemplarische Resultate werden gezeigt!

10 Agenda Warum PID-Tests? PID Grundlagen PID Modultest (IEC Standard) PID-Tests von der Solarzelle bis zum Solarmodul Testprozedur Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit Vergleich zwischen Solarzellen-Test und Modul-Test Freifeld PID-Prüfung Zusammenfassung

11 Solarzellen, Polymer, Glas Prüfung Testgerät PIDcon (Freiberg Instruments) 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 R p EL-Aufnahme einer multikristallinen Solarzelle nach PID-Test auf 4x4 cm² Luftfeuchtigkeitsmessung

12 Parallel Resistance Rp [ ] Parallel Resistance Rp [ ] Parallel Resistance Rp [ ] Parallel Resistance Rp [ ] Qualitativ vergleichbar mit Mini-Modul Tests Test von PID-anfälligen und PID-resistenten Solarzellen für Solarzelle vs. Mini-Modul Test Solarzellen-Test (PIDcon) PID resistant (PIDcon) PID prone (PIDcon) Time [h] PIDcon Mini-Module (Klimakammer) PID resistant (Climate chamber) PID prone (Climate chamber) Time [h] Climate chamber PID-freie Solarzelle PID-freies Mini-Modul!

13 Parallel resistance Rp [ ] Quantitativ vergleichbar mit Mini-Modul Tests Solarzellen (PIDcon) vs. Mini-Module (Klimakammer) vergleichbarer Solarzellen aus einer Charge Solar Cell (PIDcon) Mini-Module (Climate Chamber) PIDcon Climate chamber Resultate vergleichbar Abweichungen verursacht durch Mini-Modulproduktion (vermutlich Laminierungsprozess) Solarzellentests und Modultests können aufeinander kalibriert werden Time [h] Möglichkeit der Quantifizierung der PID-Anälligkeit von Solarmodulen durch Messung der Solarzellen

14 Parallel Resistance Rp [ ] Anwendungen für Material- und Prozesstests PIDcon Test - Encapsulant 1 PIDcon Test - Encapsulant 2 Weitere Parameter beeinflussen PID (z.b. EVA, Laminationsprozess, Modulkontaktierung, ) Time [min] PIDcon PID-Prüfung ohne Modullamination im PIDcon Tester möglich Test von Solarzellen, Verkapselungsfolien sowie Laminationsparametern 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

15 Shunt resistance [k ] Vergleichbare PID-Testresultate für 60-Zellen-Module und Mini-Module 60-Zellen-Module mit moderater PID-Anfälligkeit am CSP gebaut Elektrolumineszenz (EL) bei niedriger Injektion (0.85 A) Nur einige Zellen zeigen Verluste R p wird durch intakte Zellen aufgrund der Reihenschaltung dominiert 25 module 1 (60 cells) module 2 (60 cells) 20 module 3 (60 cells) 5 one-cell laminates x vor PID Test nach PID Test Time [h]

16 Zwischenfazit 1. PIDcon Solarzellentest ist eine verlässliche und reproduzierbare Methode für die industrielle Prüfung von Solarzellen und Modulkomponenten auf PID-Anfälligkeit 4-fach PIDcon (Freiberg Instruments) 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 erarbeitet Standard für PID-Zellentestverfahren

17 Outdoor-Prüfung Mobiler PID-Modul Tester State-of-the-art PID-Prüfung im Freifeld: 1. PV-Anlage zeigt Leistungsverlust 2. Schwachlicht-Perfomance (Morgen/Abend) Anzeichen einer Abnahme von Rp 3. EL Inspektion von individuellen Modulen bis dato keine voraussagende PID-Testprozedur vorhanden Lösung: Verfahren und Anordnung zur Prüfung eines Solarmoduls auf Anfälligkeit für Potential-induzierte Degradation (D. Lausch, V. Naumann, C. Hagendorf, J. Bagdahn), Patentanmeldung DE

18 Outdoor-Prüfung Setup Frontelektrode auf Solarmodul Hochspannungsquelle (-Pol an Zellen) Spannungsquelle, Strommessung Heizung Solarmodul: 1 Modulglas 2 Verkapselungsmaterial (Polymer) 3 Solarzellen 4 Rückseitenfolie Prototyp am Fraunhofer CSP Solarmodul Elektrode Heizelement U HV Hochspannungsquelle Messung

19 Outdoor-Prüfung Vorteile direkter, eindeutiger Nachweis von PID durch Provokation von PID 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

20 Zusammenfassung PID-Kontrolle from cradle to grave 1. Produktqualitäts -Prüfung: PID Modultest IEC 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

21 Kontakt: Dr. Christian Hagendorf Dr. Volker Naumann