UV-Fluoreszenz Messtechnik für die Modulinspektion im Außeneinsatz

TÜV Rheinland, 12. Modul-Workshop 2015 UV-Fluoreszenz Messtechnik für die Modulinspektion im Außeneinsatz M. Köntges, A. Morlier, M. Siebert Institute für Solarenergieforschung Hameln/Emmerthal

Fluoreszenz (FL) Aufbau UV-Licht 310-400 nm UV-Lichtquelle ca. 30 W/m² UV-Lichtleistung CCD-Camera UV-Fluoreszenz 400-800 nm Hochpassfilter > 400 nm Aufbau muss gegen Fremdlichteinfall abgedichtet sein Dunkelbildabzug erlaubt geringen Fremdlichtanteil Basic literature on the fluorescence effect: [1] F.J. Pern, Solar Energy Materials and Solar Cells 41/42, 1996, pp. 587-615 [2] L. King, M.A. Quintana, J.A. Kratochvil, D.E. Ellibee and B.R. Hansen, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 8: 241 256 (2000). doi: 10.1002 Detection of micro cracks with the fluorescence effect: [3] Schlothauer, S. Jungwirth, B. Röder, M. Köhl, Photovoltaics International 10 (2010), pp. 149-154

Fluoreszenzspektrum Zunahme EVA Fluoreszenz über UV-Bewitterungsdauer 1 Kamerasensitivität 2 Bewitterungsdauer Blauer Sensor besser für kurzzeit Bewitterung Grüner Sensor besser für längere Bewitterung 1 A. Czanderna et al., Solar Energy Materials and Solar Cells 403, 101-181, 1996 2 F. Sigernes et al., OPTICS EXPRESS 17 (22), 20211-20220 (2009)

Entwicklung der UV-FL UV-Fluoreszenz bei 534 nm angeregt mit 390 nm Schwarzlicht Fehlerbalken: Abweichung der Strahlungsenergie durch Inhomogenität des Prüfkammerstrahlungsfeldes Fluoreszenzeffekt entwickelt sich meist exponentiell mit UV-Dosis

Fluoreszenz/Additiv Korrelation 1 Peroxid 1 Antioxidant 2 UV Absorber, 2 Lichtstabilisatoren (HALS) 9 Formulierungen: EVA #1, #5, #6, #7, und #8 nur mit einem Additiv EVA #2, #3, #9 und #10 gemischt Peike C., et al., Proc. IEEE PVSC Conference 2013, 1579-1584 1 Haftvermittler

Ursachen Fluoreszenz/Vergilbung Additiv Mixturen EVA nur mit HALS und Antioxidant bildet keine Chromophoren Additive dominieren Fluoreszenz: UV-Stabilisatoren und Vernetzer Additiv Mixturen Alle Additivmixturen fluoreszieren Peike C., et al., Proc. IEEE PVSC Conference 2013, 1579-1584

Laminationsmaterialien UV Dosis 331 +/- 17 kwh/m² Silikon UV-transparent UV-transparentes EVA Fluoreszenzeffekt für verschiedene Materialien vorhanden, aber Intensität unterschiedlich Silikon mit UV-Absorbern Std. EVA

Laminationsmaterialien UV Dosis 331 +/- 17 kwh/m² Silikon UV-transparent UV-transparentes EVA Fluoreszenz unterschiedlich stark durch O2 gelöscht Silikon mit UV-Absorbern Std. EVA

Grundsätze UV-Fluoreszenz Temperaturerhöhung verstärkt Fluoreszenz Sauerstoff+Licht löscht die UV-Fluoreszenz Durch Zellrisse kann Sauerstoff zwischen Zelle und Glas ins Laminationsmaterial eindringen Sauerstofftransmissionsrate vom Backsheet typisch: 0,040-0,1 cm³m - ²d -1 mbar -1 Glas/Glas Modul kann mit UV-Floureszenz nur bedingt untersucht werden, da kein Sauerstoff durch Glas diffundiert

UV Fluoreszenz im Freifeld Eingangsmessung: Schwache Anfangs- Fluoreszenz Keine Struktur erkennbar

UV Fluoreszenz im Freifeld 58 Tage outdoor, bzw. 290 kwh/m² Globalstrahlungsdosis Reflexion UV-Lichtquelle Erste Strukturen erkennbar Hochsensitive Aufnahme erforderlich UV-Licht muss besser ausgefiltert werden

UV Fluoreszenz im Freifeld 125 Tage outdoor, bzw. 584 kwh/m² Globalstrahlungsdosis Strukturen gut erkennbar

UV Fluoreszenz im Freifeld 301 Tage outdoor, bzw. 980 kwh/m² Globalstrahlungsdosis Strukturen gut erkennbar

UV Fluoreszenz im Freifeld 511 Tage outdoor, bzw. 1735 kwh/m² Globalstrahlungsdosis Strukturen sehr gut erkennbar

EL-Aufnahme 511 Tage outdoor, bzw. 1735 kwh/m² Globalstrahlungsdosis Zellriss Randwafer

UV Fluoreszenz im Freifeld 511 Tage outdoor, bzw. 1735 kwh/m² Globalstrahlungsdosis Zellrisse gut erkennbar Randwafer sind im Betrieb etwas wärmer, deshalb intensivere UV Fluoreszenz

UV-Fluoreszenz nach Sturz 3 Tage indoor (1735 kwh/m²) 1. Modul stürzt Kurze indoor-lagerung verändert Fluoreszenz nicht 2. 3 Tage indoor Lagerung 3. FL-Messung

UV-Fluoreszenz nach Sturz 3 Tage indoor und 7 Tage outdoor (1735 kwh/m² + 34 kwh/m²) Bereits 7 Tage outdoor lässt neue Zellrisse erkennen

UV-Fluoreszenz nach Sturz 3 Tage indoor und 14 Tage outdoor (1735 kwh/m² + 74 kwh/m²) Neue Zellrisse erscheinen sofort sehr breit!

UV-Fluoreszenz nach Sturz 3 Tage indoor und 21 Tage outdoor (1735 kwh/m² + 113 kwh/m²) Neue Zellrisse werden langsam breiter

UV-Fluoreszenz nach Sturz 3 Tage indoor und 27 Tage outdoor (1735 kwh/m² + 135 kwh/m²) Alte Zellriss bleiben deutlich dunkler

UV-Fluoreszenz nach Sturz 3 Tage indoor und 35 Tage outdoor (1735 kwh/m² + 175 kwh/m²) Alte und neue Zellrisse an Fluoreszezintensität unterscheidbar

UV-Fluoreszenz nach Sturz 3 Tage indoor und 42 Tage outdoor (1735 kwh/m² + 208 kwh/m²)

UV-Fluoreszenz nach Sturz 3 Tage indoor und 77 Tage outdoor (1735 kwh/m² + 355 kwh/m²) Alte deutliche Zellrisse bis 2,5 Mon. von neuen Rissen unterscheidbar

Löschen der UV-Fluoreszenz Modellvorstellung: Zellriss Glas Laminationsmaterial Zelle Rückseitenfolie

Löschen der UV-Fluoreszenz Modellvorstellung: Zellriss Teildelamination Glas Laminationsmaterial Riss Zelle Rückseitenfolie Teildelamination Vermutung: Um den Zellriss wird die Haftung zwischen Zelle und Laminationsmaterial durch den Rissvorgang vermindert

Löschen der UV-Fluoreszenz O 2 Diffusion zwei unterschiedlich schnelle Prozesse 1. Entlang Teildelamination, 2. Durch Vollmaterial Laminationsmaterial Glas Riss Teildelamination O 2 Diffusion schnell Zelle O 2 Diffusion langsam Rückseitenfolie

EL EL nach 511 Tagen auf Dach, Sturz und weiteren 84 Tagen auf Dach

Leistungsverlust nach Sturz Modul wurde nach Sturz wieder im Freien bewittert Leistungsverlust schreitet im Messzeitraum stetig voran Degradation evtl. durch häufige Demontage beschleuningt Leistungsverlust ist nach 200 Tagen bei ca. 6-7 %

EL Hagelschlag ca. 6 Monate her Kürzlicher Transportschaden Dach -> ISFH Nachweis mit EL auf Dach Hagelschlag? Sehr alt: Kreuzrisslinie Referenz Installationsfehler

FL Hagelschlag ca. 6 Monate her Ganz neuer Schaden kein schwarzer Bereich logarithmisch skaliert Mittelalter Schaden, Wahrscheinlich Hagelschlag Alter Schaden Rissbereich völlig dunkel FL-Methode ermöglicht Angabe Schadenreihenfolge

Hotspots UV-Fluoreszenz Lichtbild Lock-In Thermography FL Methode identifiziert Stellen, die im Betrieb heiß sind/waren

Künstiches Defektmodul FL Bild nach 4 Monaten bzw.148 kwh/m² Globalstrahlung UV-Fluoreszenz Elektrolumineszenz Zelle mit Abtrennung wird im Betrieb heißer als andere Zellen

Freifeldaufnahmen Transport in Kofferraum möglich 0,5 h Aufbau Anpassbar auf Modulgröße Einfache Nutzung zu zweit Im Mittel 21 s pro Bild, incl. Umsetzten, Handling Beispiel Wetterbedingungen: bis 500 W/m², um 0 C

Freifeldaufnahmen MaK1 Seriennummer fluoresziert Modul 3 Jahre im Feld Dunkelbild Hellbild Dunkelbildabzug blau+grüner Kanal Dunkelbildabzug erhöht Bildrauschen reduziert Überbeleuchtung an Zellzwischenräumen erhöht Kontrast deutlich Staub/Dreck fluoresziert Spekutation: Flussmittel mit hohem Kolophoniumgehalt Handlötung?

Folie 38 MaK1 1.9.4.4 Marc Köntges; 22.10.2015

Zellrisse in alten Modulen Bewitterungsdauer der Module 4,5 Jahre Belichtungszeit 2 s Starke und kontrastierte Fluoreszenz Anlage zeigt aber keine Auffälligkeiten

Stark fluoreszierende Zellen MaK2 Manche Module weisen eine oder mehrere stark Fluoreszierende Zellen auf Keine weiteren Schäden auf Rückseite oder Glas Mögliche Ursachen: Zellen aus Randwafern vom Blockguss Bypassdioden defekt, V oc oder I sc Mode Modul über Kabel kurzgeschlossen Ursache noch ungeklärt

Folie 40 MaK2 Modul 1.13.8.19 Marc Köntges; 22.10.2015

Besonderheit in einem PV Park In einer Anlage Module mit variierender Fluoreszenzintensität Entweder Module wurden gegen neuere getauscht Oder unterschiedliche Laminationsmaterialien wurden eingesetzt in diesem Fall Module wurden ausgetauscht

Zusammenfassung UV Fluoreszenz bei Tageslicht einsetzbar Mindestbewitterung: ca. ein Sommer ~500 kwh/m² Zellrisse, Verbinderabriss, heiße Zell(e)teile Unterscheidung zwischen alten und 2,5 Monate alten Zellrissen, evtl. mehr 1300 Module pro 8 Stunden-Tag mit 2 Personen Finanzierung wurde bereitgestellt durch das Land Niedersachsen & BMWi unter Vertragsnummer 03257350D Fidelitas

Ausblick UV Fluoreszenz ist mit EL kombinierbar UV Fluoreszenz kann EL-Bilder Ergänzen, da auch Wärmeentwicklung, Rissabfolge erkennbar Danke für Ihre Aufmerksamkeit!