Potentialinduzierte Degradation (PID) - Testverfahren im

POTENTIALINDUZIERTE DEGRADATION (PID):
TESTVERFAHREN IM LABOR UND FREIFELD
12.11.2015, 12. Workshop „PV-Modultechnik“ – TÜV, Köln
Christian Hagendorf,
Dominik Lausch, Volker Naumann, Stephan Großer, Jörg Bagdahn
Thanks to PV Guider/Taiwan, 2015
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Agenda
 Warum PID-Tests?
 PID Grundlagen
 PID Modultest (IEC 62804 Standard)
 PID Tests von der Solarzelle bis zum Solarmodul
 Testprozedur
 Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit
 Vergleich zwischen Solarzellen-Test und Modul-Test
 Freifeld PID-Prüfung
 Zusammenfassung
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Warum PID-Tests?
Produktversagen kommerzieller PV-Module

PV-Magazin Umfrage (01/2015): mindestens 160 MWp betroffen
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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
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http://files.sma.de/dl/7418/PID-TI-UEN113410.pdf
SMA Solar
[1] P. Hacke et al., Proc. of 25th EU-PVSEC, Valencia, Spain, 2010
[2] S. Pingel et al., Proc. of 35th IEEE PVSC, Honolulu, USA, 2010
PID an Solarzellen
Ursache und Versagensmechanismus
Lamelle
PID-s
PID-s
TEM
Lamella
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. 76–83
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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 Rp,
um PID-Zustand zu quantifizieren
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Produktqualitäts-Test
IEC Standard für den PID Modultest (IEC 62804-1 TS)
 Auf Modul-Level: PID-Teststandard verfügbar - IEC 62804-1 TS
 Prozedur (b): Kontaktierung der Oberfläche mit einer geerdeten,
elektrisch leitfähigen Elektrode; in kontrollierter Umgebung
Klimakammer
+
 Modul mit Al-Folie auf
Glasoberfläche in Klimakammer
Metallfolie
 Temperatur: z.B. 60 °C
Glas
V
Frontkontakt
-
Solarzelle
EVA
Rückkontakt
Rückseitenfolie
R
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Parameter:
 geringe Luftfeuchtigkeit
 Dauer: 168 h
 Spannung: 600 V, 1000 V oder
1500 V
Wie misst man PID?
 Parallelw iders tand R p , zur
 PID-s erzeugt S hunts
Quantifizierung v on PID-s
Parallel resistance Rp []
1000
high voltage +600 V on
100
10
~ 5 % relative efficiency loss
1
0
1
2
3
Degradation time [h]
 S chw ellenw ert R p  Abnahm e der Aus gangs leis tung um 5 % (STC)
 Rp-Wert hängt mit Leistungsabfall zusammen  Pass/Fail-Kriterium sollte
individuell definiert werden
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4
Test-Setup für die Produktionskette
Solarzellen, Polymere, Mini-Module
S olarzellen-Tes t
 PIDcon
Mini-Modul-Tes t
 Klimakammer
Klimakammer
vs
+
Metallfolie
Glas
V
-
Frontkontakt
EVA
S olarzelle
Rückkontakt
Rücks eitenfolie
R
PIDcon
Klimakammer
 Testsverfahren mit Solarzellen aus einer Charge verglichen
 PID-Tests mit mehreren Zellen durchgeführt  exemplarische Resultate
werden gezeigt!
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Agenda
 Warum PID-Tests?
 PID Grundlagen
 PID Modultest (IEC 62804 Standard)
 PID-Tests von der Solarzelle bis zum Solarmodul
 Testprozedur
 Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit
 Vergleich zwischen Solarzellen-Test und Modul-Test
 Freifeld PID-Prüfung
 Zusammenfassung
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Solarzellen, Polymer, Glas Prüfung
Testgerät ‚PIDcon‘ (Freiberg Instruments)
 Kons is tent zu IEC 62804-1
(> 1 kV, max. 140 °C)
 Tes t v on S olarzellen und
Modul Komponenten
ohne Modulhers tellung
 Test von Mini-Modulen möglich
 Prozes s - oder Qualitäts kontrolle
 Zuverlässig, reproduzierbar,
kosteneffizient, schnell
 Benchm ark für PID-Anfälligkeit
 In-situ Messung von Rp
EL-Aufnahme einer multikristallinen
Solarzelle nach PID-Test auf 4x4 cm²
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 Luftfeuchtigkeitsmessung
Qualitativ vergleichbar mit Mini-Modul Tests
 Test von PID-anfälligen und PID-resistenten Solarzellen für S olarzelle v s .
Mini-Modul Tes t
S olarzellen-Tes t (PIDcon)
180
100
160
140
PID resistant (PIDcon)
120
PID prone (PIDcon)
100
50
PIDcon
80
60
40
0
20
200
PID resistant (Climate chamber)
PID prone (Climate chamber)
150
80
100
Climate
chamber
50
5
10
15
Time [h]
20
23
40
20
0
-5
0
5
10 15 20 25 30 35 40 45 50
Time [h]
 PID-freie S olarzelle  PID-freies Mini-Modul!
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60
0
0
0
100
Parallel Resistance Rp []
200
Parallel Resistance Rp []
220
Parallel Resistance Rp []
120
150
Parallel Resistance Rp []
Mini-Module (Klim akam m er)
Quantitativ vergleichbar mit Mini-Modul Tests
Parallel resistance Rp []
 S olarzellen (PIDcon) v s . Mini-Module (Klimakammer) vergleichbarer
Solarzellen aus einer Charge
150
Solar Cell (PIDcon)
Mini-Module (Climate Chamber)
100
PIDcon
Climate
chamber
50
 Resultate vergleichbar
 Abweichungen verursacht
durch Mini-Modulproduktion
(vermutlich Laminierungsprozess)
 Solarzellentests und Modultests können aufeinander
kalibriert werden
0
0
5
10
15
20
25
Time [h]
 Möglichkeit der Quantifizierung der PID-Anälligkeit v on
S olarm odulen durch Mes s ung der S olarzellen
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Anwendungen für Material- und Prozesstests
Parallel Resistance Rp []
1200
PIDcon Test - Encapsulant 1
PIDcon Test - Encapsulant 2
1000
800
600
PIDcon
400
200
0
0
200
400
600
Time [min]
800
1000
 Weitere Parameter
beeinflussen PID (z.B. EVA,
Laminationsprozess,
Modulkontaktierung, …)
 Testbedingungen müssen für
eine Korrelation zwischen
Solarzellen- und Modultests
spezifiziert werden
 Materialien für Solarzellentests
müssen im gleichen Zustand
1200
sein, wie bei der Herstellung
für Module
 PID-Prüfung ohne Modullam ination im PIDcon Tes ter m öglich
 Tes t v on S olarzellen, Verkaps elungs folien s ow ie
Lam inations param etern
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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
 Rp wird durch intakte Zellen
aufgrund der Reihenschaltung
dominiert
Shunt resistance [k]
25
module 1 (60 cells)
module 2 (60 cells)
module 3 (60 cells)
 5 one-cell laminates x 12
20
15
10
5
0
0
vor PID Test
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nach PID Test
20
40
Time [h]
60
Zwischenfazit
1. PIDcon S olarzellentes t is t eine v erläs s liche 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
Tes ts können aufeinander kalibriert w erden
2. Tes tbedingungen 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
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Outdoor-Prüfung
Mobiler PID-Modul Tester
S tate-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 102015213047.9.
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Outdoor-Prüfung
Setup
 Frontelektrode auf Solarmodul
 Hochspannungsquelle (-Pol an Zellen)
 Spannungsquelle, Strommessung
Heizung
Solarmodul:
1
2
3
4
Modulglas
Verkapselungsmaterial (Polymer)
Solarzellen
Rückseitenfolie
Prototyp am Fraunhofer CSP
Elektrode
Solarmodul
1
2
3
2
4
UHV
Hochspannungsquelle
Heizelement
Messung
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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
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Zusammenfassung
PID-Kontrolle “from cradle to grave”
1. Produktqualitäts -Prüfung: PID Modultest IEC 62804 TS
verfügbar
2. PV-Materialien und S olarzellentes t entlang der
Hers tellungs kette: PIDcon verfügbar, SEMI Standard in der
Entwicklung
3. PID Freifeld-Tes t: Voraussagender Modultest für PV-Anlagen
 Patent angemeldet
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Kontakt:
Dr. Christian Hagendorf
Dr. Volker Naumann
[email protected]
[email protected]
www.csp.fraunhofer.de
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