Qualitätsbewertung PV Module Kriterien zur Beurteilung fabrikneuer Module SUPSI PVLab
Prämisse Die Bewertungskriterien für fabrikneue PV Module, welche vom SUPSI PVLab angewandt werden, basieren auf eigenen Erfahrungen, wissenschaftliche Veröffentlichungen und Artikel in Fachzeitschriften, sowie von Arbeitsgruppen erarbeiteten Daten aus anderen Instituten und Labors, z.b. IEA PVPS Task 13. Die Bewertungskriterien in diesem Dokument werden auf fabrikneue und noch nicht installiert PV Module angewandt. Hinweis: Für nicht fabrikneue PV Module müssen die Bewertungskriterien den Nutzungsbedingungen angepasst werden. 1. Einleitung Schäden und Defekte an einem PV Modul beeinflussen die Leistung und damit dessen Energieproduktion negativ; deshalb ist es wichtig Fehler im Detail zu erkennen und deren mögliche Entwicklung im Laufe der Betriebszeit vorherzusehen. Um den aktuellen Zustand eines PV Moduls zu bewerten, werden verschiedenen Charakterisierungsmethoden eingesetzt: Sichtprüfung, Elektrolumineszenz, Messung der Leistung bei Standard Testbedingungen (P max bei STC) und Thermografie. Um den Zustand fabrikneuer PV Module zu beurteilen, führt das SUPSI PVLab grundsätzlich die Messung der Leistung bei STC und Elektrolumineszenz (EL) durch. Darüber hinaus ist es empfehlenswert, eine Thermografie (IR) an PV Module, die Mängel in der EL oder bei der Leistungsmessung gezeigt haben, durchzuführen. (A) Bewertung der Elektrolumineszenz Fotografie (EL) Die EL ist ein fotografisches Verfahren zur Visualisierung von Zellen im Modul und erlaubt etwaige Beschädigungen, die nicht mit bloßem Auge erkennbar sind, darzustellen. Die Zellen des PV Moduls werden bestromt und durch die Rekombination der Elektronen und Löcher im pn Übergang zum lumineszieren gebracht. Die emittierte Strahlung liegt im nahen Infrarotbereich und wird mit einer speziellen Kamera aufgenommen. Die in der EL sichtbaren Mängel und deren möglichen Auswirkungen auf die Leistung und des Leistungsabfalls werden im Detail in den folgenden Tabellen aufgeführt. Für eine Bewertung des Zustands der Zelle muss auch die Möglichkeit in Betracht gezogen werden, dass mit der Zeit Bereiche der Zelle abgetrennt werden und damit den Elektronenfluss in Richtung der Busbars behindert wird. Die Abtrennung wird durch die thermische Ausdehnung (Tag / Nacht) oder mechanische Belastungen (Schnee, Wind) verursacht. Intakte Zelle Strom I 0 Zelle mit abgetrenntem Bereich Strom I<I 0 Zelle mit unkritischen Riss Strom I=I 0 Hinweis: Es wird davon ausgegangen, dass fabrikneue PV Module den Kriterien für die Beurteilung der Sichtprüfung und der elektrischen Sicherheit nach IEC 61215 entsprechen. 2. Klassifizierung von PV Module Auf Grund der vom SUPSI PVLab durchgeführten Messungen und Prüfungen werden die PV Module in folgende Kategorien eingeteilt: Klasse A+ PV Modul ohne Mängel. Klasse A PV Modul mit geringfügigen Mängeln ohne Einfluss auf die Leistung. Klasse B Klasse C PV Modul mit Mängeln mit Einfluss auf die Leistung. PV Modul mit schweren Mängeln und reduzierter Leistung. a. Allgemeine Bewertungskriterien: Hell dunkel Je dunkler ein Bereich der Zelle ist, umso weniger photoaktiv ist dieser. Ein schwarzer Bereich trägt nicht oder kaum zum Strom der Zelle bei. Möglichkeit der Ausbreitung von Mikrorissen Für die Einschätzung des zukünftigen Zustandes einer Zelle ist es wichtig, die Möglichkeit der Ausbreitung von Mikrorissen zu beurteilen. Abgetrennte Bereiche Um die Größe eines möglichen abgetrennten Bereichs zu beurteilen, ist ein Gitterwerk als Referenz hilfreich. Das SUPSI PVLab empfiehlt, PV Module der Klasse B mit einer vorhersehbar erhöhten Leistungsabfall nicht zu installieren, und somit einen überdurchschnittlichen Rückgang der Energieproduktion der PV Anlage zu vermeiden. Hinweis: Wenn Module der Klasse B installiert werden, sollten diese in separate Strings gebündelt werden und es wird eine Anlagenüberwachung empfohlen. A>10% PV Module der Klasse C haben schwerwiegende Mängel und reduzierte Leistung und sollte daher nicht in PV Anlagen installiert werden. 2 3
Klassifizierung der Zellen im PV Modul PV Zelle ohne Mängel PV Zelle mit abgetrennten oder mit abtrenngefährdeten Bereichen kleiner 10% Partieller Mikroriss. Potentieller Verlust der photoaktiven Fläche 0%. PV Zelle mit abgetrennten oder mit abtrenngefährdeten Bereichen größer 10% b. Kriterien für die Bewertung der Zellen Zellen ohne Mängel Paralleler und zwischen den Busbars liegender Mikroriss. Potenzieller Verlust der photoaktiven Fläche 0%. Polykristalline PV Zelle Monokristalline PV Zelle Paralleler und außerhalb der Busbar liegender Mikroriss. Potenzieller Verlust der photoaktiven Fläche < 10%. Zellen mit unkritischen Mikrorissen Beschreibung Mikroriss 45 zum Busbar Länge über der gesamten Zelle. Art des Mangels Foto Mehrere Mikrorisse. Potenzieller Verlust der photoaktiven Fläche < 10%. Abgetrennter Bereich < 10% Mikroriss 90 zum Busbar Länge über der gesamten Breite der Zelle. 4 5
Zellen mit kritischen Mikrorissen und Mängeln Mängel der Zellen ohne Einfluss auf künftigen Leistungsverlust Beschreibung Art des Mangels Foto Beschreibung Ursache Foto Mehrere Mikrorisse. Potenzieller Verlust der photoaktiven Fläche > 10%. Dunkle Bereiche mit periodischen Wiederholung. Beim Anlassprozess vom Förderband verursachte Abdrücke. Gefahr für Leistungsabfall: hoch Abgetrennter Bereich > 10% Paralleler und außerhalb der Busbar liegender Mikroriss. Potenzieller Verlust der photoaktiven Fläche > 10%. Kreisförmige dunkle Bereiche in der Zelle. Während der Herstellung des Einkristalls gebildete Defekte im Halbleitermaterial. Gefahr für Leistungsabfall: hoch Mehrere Mikrorisse. Potenzieller Verlust der photoaktiven Fläche > 10%. Gefahr für Leistungsabfall: hoch Mängel der gedruckten Leiterbahnen (Fingerunterbrechung). In der Regel wird der Mangel durch fehlerhaften Siebdruck verursacht. Wenige und gleichmäßig verteilt Defekte sind kein Risiko für eine verminderte Effizienz; mit zunehmenden dunklen Bereichen nimmt das Risiko zu. Ablösung der Kontakte. Mangelhafte Lötverbindung zwischen Zelle und Busbar. Erhöhtes Risiko für Hotspots oder Überhitzung. Lokale Shunts. Defekte im Halbleitermaterial. In der Regel kein Problem, kann aber Hotspots verursachen. Bei vielen Shunts wird eine gründlichere Untersuchung empfohlen. Bei polykristallinen Si dunkle Zonen im Randbereich der Zelle. Die dunklen Bereiche werden durch Gradienten der Dotierungskonzentration am Rand des Siliziumblocks verursacht. Hinweis: Bei der hohen Anwesenheit von Mängeln wird eine gründlichere Qualitätskontrolle des Moduls empfohlen. 6 7
Klassifizierung der PV Module durch Elektrolumineszenz Fotografie Das PV Modul wird nach dem Prozentsatz an vorherigen beschriebenen mangelhaften Zellen im Modul klassifiziert. Die folgende Tabelle beschreibt die Einteilung in den Klassen. Modulklassifizierung Zellen Klasse B KEINE weniger als 5%(*) zwischen 5% und 15%(*) mehr als 15 %(*) Zellen Klasse C KEINE KEINE KEINE mehr als 2.5%(*) (B) Bewertung der elektrischen Leistung Die Nennleistung P max bei Standardbedingungen wird mit einem Sonnensimulator der Klasse AAA, einer elektronischen Last und einer der Norm IEC 60904-2 konformen Referenzzelle gemessen. Die im Labor gemessenen Werte müssen in Übereinstimmung mit dem ISO 17025 Standard immer mit einer Messunsicherheit angegeben werden, z. B. 245 W ± 2.4%. Die Fertigungstoleranz, welche vom Hersteller auf dem Etikett angegeben werden muss, wird in der Norm EN 50380 definiert. Fertigungstoleranz (*) +x% -x% Leistung (Watt) +y% Nennleistung P n Messung P max (*) Prozentsatz an Zellen im Modul (z.b. 10% des Moduls bei 60 Zellen = 6 Zellen) Bemerkung: Der anfängliche Leistungsabfall des PV Moduls wird vom Hersteller nach der Norm EN 50380 berücksichtigt. -y% ±y% Messunsicherheit Beispiele: Die gemessene Leistung P max liegt innerhalb der vom Hersteller angegebenen Fertigungstoleranz. Fertigungstoleranz Messunsicherheit Messung P max Die gemessene Leistung P max liegt außerhalb der Fertigungstoleranz, aber der Messunsicherheitsbereich liegt innerhalb der Fertigungstoleranz. Fertigungstoleranz Messunsicherheit Messung P max Die gemessene Leistung P max mit der Messunsicherheit liegt außerhalb der Fertigungstoleranz des Herstellers. Fertigungstoleranz Messunsicherheit Messung P max Beispiel: Leistung des PV Moduls: 250 W Fertigungstoleranz (*): + 0 % / + 3% Messunsicherheit (**): ± 2 % Nennleistung Fertigungstoleranz (*) Messunsicherheit des Labors (**) Messwerte 251.8 W Klasse A 250 W 250 W 257.5 W min. 245 W 247.3 W Klasse B 240.9 W Klasse C 8 9
(C) Bewertung der Thermografie (Optional) Die Thermokamera ist in der Lage, die durch eine PV Modul abgegebene Wärmestrahlung zu erfassen, und die Temperaturen auf der gesamten Fläche darzustellen. Mit dieser Methode können Mängel wie Delamination oder Bruch der Zellen und mangelhafte Lötstellen erkannt werden, welche sich erhitzen und auf lange Sicht ein Sicherheitsmangel darstellen könnten. Methode Das PV Modul wird bestromt (in der Regel mit dem Kurzschlussstrom I sc ) und folglich erhöht sich die Temperatur der Zellen. Nach einer Wartezeit von wenigen Minuten erfolgt die Thermographie. Die Temperaturunterschiede im Modul und thermische Defekte dienen als Bewertungskriterium. Module ohne thermische Mängel und Temperaturunterschiede unter 5 C. Module ohne thermische Mängel und Temperaturunterschiede zwischen 5 C und 15 C. Module mit thermische Defekte oder Temperaturunterschiede grösser 15 C. Gesamtwertung und Klassifizierung des PV Moduls Die Gesamtwertung des Moduls wird von der schlechtesten Bewertung der einzelnen EL, PM und IR Prüfung bestimmt. Ein PV Modul wird A+ klassifiziert, falls dieses mit der EL A+ und A in PM und IR bewertet wird. Klassifizierung des PV Moduls: PV Modul ohne Mängel. PV Modul mit geringfügigen Mängeln ohne Einfluss auf die Leistung. Beispiele: Die Temperaturdifferenzen über der gesamten Fläche des Moduls ist geringer als 5 C. PV Modul mit Mängeln mit Einfluss auf die Leistung. PV Modul mit schweren Mängeln und reduzierter Leistung. Beispiele: EL Fotografie STC Leistung Thermografie (*) Gesamtwertung Klasse A + Klasse A Klasse A Klasse A + Durch einen Kurzschluss verursachte inaktive Zelle. Klasse A Klasse A Klasse A Klasse A Klasse A Klasse B Klasse A Klasse B Klasse B Klasse B Klasse A Klasse B Klasse B Klasse C Klasse A Klasse C Klasse C Klasse B Klasse B Klasse C (*) nur wenn durchgeführt Mangelhafte Lötstelle. 10 11
Notizen Version vom 02.2016 Kontakte: Mauro Caccivio Head of PV Systems Quality team M +41 (0)79 521 80 09 mauro.caccivio@supsi.ch SUPSI PVLab pv-services.isaac@supsi.ch Zürich Institut für angewandte Nachhaltigkeit der bebauten Umwelt isaac@supsi.ch www.isaac.supsi.ch Campus Trevano 6952 Canobbio (CH) T +41 (0)58 666 63 51 Galerie SUPSI Institut für angewandte Nachhaltigkeit der bebauten Umwelt Campus Trevano Spital Stadion Mit Unterstützung von