Expert Talk: Potentiaal-geïnduceerde degradatie van pv-modules

Energie geproduceerd door fotovoltaische (PV) systemen is de snelst groeiende hernieuwbare energiebron met ongeveer 100 GW geïnstalleerd vermogen in 2018 wat het cumulatief totaal brengt op meer dan 500 GW.^[1] Dit is het resultaat van een steeds dalende prijs van elektriciteit opgewekt door PV (LCOE), wat voornamelijk toe te schrijven is aan: i) de groeiende efficiëntie, ii) de dalende productiekost van PV-modules, en iii) de verbeterde levensduur.^[2]

Zeker de levensduur en dus ook de betrouwbaarheid van PV-systemen werd in de afgelopen jaren steeds belangrijker. Verschillende soorten van degradatie worden daarom bestudeerd om de energieopbrengst doorheen de hele levensduur van een module te beoordelen. Potentiaal-geïnduceerde degradatie (Potential-Induced Degradation of PID) van PV-modules is een belangrijk degradatiemechanisme dat wordt veroorzaakt door een hoge systeemspanning die ionen naar de zonnecellen drijft. Deze ionen verstoren de goede werking van de zonnecellen en er is aangetoond dat ze in de praktijk binnen een jaar significante prestatieverliezen, tot wel 50% op moduleniveau, kunnen veroorzaken.^[3]

Wat is Potential-Induced Degradation?

Tegenwoordig komen systeemspanningen van 1000 V en meer steeds vaker voor in PV installaties. De evolutie naar hogere systeemspanningen wordt aangemoedigd door de toenemende schaal van PV installaties. Door de spanningen te verhogen en de stroom laag te houden is minder koper nodig en worden verliezen gereduceerd, wat leidt tot een efficiëntere bekabeling van de installatie.

De hoge systeemspanning veroorzaakt echter een elektrisch veld tussen het geaarde PV-moduleframe en de zonnecelmatrix, wat maakt dat alkalimetaalionen (meestal Na⁺) naar de zonnecel drijven, zoals weergegeven in figuur 2. Dit fenomeen veroorzaakt ernstige vermogensverliezen en wordt potentiaal-geïnduceerde degradatie (PID) genoemd. De oorsprong van het Na⁺ is nog steeds onduidelijk; sommigen vermelden het natriumcarbonaatglas als bron, anderen hebben PID in PV-modules zonder frontglas aangetoond en veronderstellen dat het Na⁺ reeds op de zonnecel aanwezig is na het productieproces.^[4]

Figuur 2: Alkalimetaalionen drijven naar de zonnecel onder invloed van een sterk elektrisch veld

Het voorkomen van PID hangt af van zowel de grootte als de polariteit van het elektrische veld. Wanneer naar PV-modules in het systeem wordt gekeken, worden die aan de positieve pool van de serieschakeling van PV modules (string) niet beïnvloed door PID aangezien de Na⁺ van de zonnecel afdrijft. De modules aan de negatieve pool van de string worden wel beïnvloed door PID, weergegeven als donkergekleurde zonnecellen in figuur 3. PID begint te evolueren rond de omtrek van de PV-modules en verspreidt zich geleidelijk verder weg van het frame. Verdere kwantitatieve metingen lieten ook zien dat de spanning een superlineair effect heeft op de PID-progressie.

Figuur 3: PID binnen één PV-string. Alleen zonnecellen met een negatieve spanning ten opzichte van het frame van de PV-module lijden aan PID.^[5]

Mitigerende PID oplossingen

Er zijn mitigerende PID-oplossingen voor nieuwe producten op cel-, module- en systeemniveau en deze oplossingen vinden momenteel hun weg naar industriële toepassingen. Op celniveau blijkt de antireflectiecoating (ARC) een belangrijke rol te spelen bij de gevoeligheid van PID. Door het verhogen van de geleidbaarheid van deze laag tijdens het productieproces, d.w.z. door het verhogen van de Si/N-verhouding in de SiN_X-laag, is de zonnecel minder gevoelig voor PID. Dit kan worden verklaard door een tweevoudig effect: (i) een reductie van het elektrische veld dat verantwoordelijk is voor de Na⁺ drift door de SiN_X ARC en (ii) een neutralisatie van de voortschrijdende Na⁺.

Op moduleniveau kunnen alternatieve materialen zoals PID-vrije encapsulatiematerialen of aluminosilicaatglas worden gebruikt in de productiefase om de PV-modules PID-bestendig (of zogenaamd “PID-vrij”) te maken. Dergelijke materialen dragen hoofdzakelijk bij aan PID-vermindering vanwege hun hoge elektrische weerstand, en elimineren dus de ionenmigratie naar de zonnecel.

Op systeemniveau kan de aardingsconfiguratie van het PV-systeem zodanig worden aangepast dat het elektrische veld ervoor zorgt dat de alkalimetaalionen wegtrekken van de zonnecel. Het gebruik van zeer efficiënte transformatorloze omvormers staat deze benadering echter niet altijd toe. Bovendien vermindert het gebruik van moduleniveau-omvormers of power optimizers het risico op PID aanzienlijk vanwege de beperkte spanningsopbouw tussen de zonnecelmatrix en het geaarde PV-moduleframe.

Preventieve maatregelen zijn zeer interessant voor nieuwe cellen, modules en systemen. Ze brengen echter geen oplossing voor PV-installaties die al zijn geïnstalleerd en lijden aan PID. Daarom worden PID-regeneratietechnieken onderzocht en vertaald naar industriële toepassingen. In de praktijk wordt dit bereikt door de zonnecelmatrix ’s nachts op een positieve spanning ten op zichte van het geaarde frame van de PV-module te plaatsen. Dit bevordert het uit-diffusieproces van de alkalimetaalionen, waardoor het PID-effect dat overdag op celniveau optreedt teniet wordt gedaan. Deze aanpak is gecommercialiseerd en kan eenvoudig worden geïnstalleerd in werkende PV-systemen. De omkeerbaarheid van PID op volledige modules hangt echter af van het degradatie-niveau. Dit wordt getoond in figuur 4, waarin de omkeerbaarheid van 49 verschillende PV-modules is gepresenteerd. Een hoge omkeerbaarheid is mogelijk voor degradatieniveaus met prestatieverlies lager dan 40%. Wanneer het prestatieverlies van de PV-modules hoger is dan 85%, blijkt de PID onomkeerbaar. Vanuit dit opzicht is het belangrijk om PID te detecteren en om te keren vóór the point of no return.

Figuur 4: PID-omkeerbaarheid: vrijwel alle prestatieverlies kan worden hersteld door de polariteit van de hoge spanning om te keren wanneer het prestatieverlies niet hoger is dan 85%^[6]

In grote PV-installaties kan PID worden gedetecteerd door de elektrische parameters van verschillende PV-strings in werking met elkaar te vergelijken. Er is bijvoorbeeld aangetoond dat een grote spreiding in de bedrijfsspanning (V_MPP) tussen verschillende strings een PID-indicator is, zoals getoond in figuur 5. Beide grafieken tonen de V_MPP van verschillende strings van een PV-park gedurende de dag. In de bovenste grafiek wordt een door PID beïnvloed park getoond en ziet men een grote spreiding in V_MPP. De onderste grafiek toont een PV-park dat niet wordt beïnvloed door PID en een verwaarloosbare spreiding in V_MPP vertoont.

Figuur 5: Een grote spreiding in V_MPP gedurende de dag tussen verschillende strings van één PV-park is een goede indicatie van PID^[5]

De elektrische eigenschappen van verschillende PV-strings vergelijken is echter alleen mogelijk in grote PV-parken. Residentiële installaties met slechts één of twee strings laten deze benadering niet toe. Voor PID-detectie in dergelijke residentiële installaties is elektroluminescente (EL) beeldvorming een goede PID-detectietechniek. Door (’s nachts) een stroom door de zonnecellen te sturen gaan deze licht uitzenden in het infraroodspectrum, wat kan worden gevisualiseerd door een eenvoudige CCD-camera. PV-cellen die worden beïnvloed door PID vertonen een verminderd EL-signaal en zijn dus waarneembaar als donkere gebieden binnen de PV-module. Een typisch EL-beeld van een door PID beïnvloede PV-string wordt getoond in figuur 6. Merk op dat alleen de zonnecellen die op een negatieve spanning ten opzichte van het frame van de PV-module staan, lijden aan PID.

Figuur 6: EL signaal van een PV-string die PID vertoont. Enkel de PV modules aan negatieve pool tonen een significante verlaging in EL.^[5]

Ook al zijn de laatste twee technieken nuttig om PID te detecteren, ze kunnen niet worden ingezet om het prestatieverlies te kwantificeren. Om dit te bereiken moet een stroom-spanningstracering (IV-tracering) worden uitgevoerd onder standaardtestomstandigheden (STC). Dit wordt uitgevoerd door de uitgangsstroom te meten wanneer spanningen tussen 0 V en de maximale uitgangspanning van de PV module onder een verlichtingsniveau van 1000W/m² worden aangelegd. Deze metingen zijn echter tijdrovend omdat elke te testen PV-module afzonderlijk wordt gemeten en moet worden losgekoppeld van de string. De genormaliseerde IV-curven van een full-size PV-module met standaard kristallijnsilicium n⁺/p zonnecellen vóór (initial) en na (stressed) PID worden gepresenteerd in figuur 7.

Afbeelding 7: Genormaliseerde IV-curve van een full-size PV-module voor en na PID.^[6]

Toekomstige uitdagingen

Een grondig begrip van de fysica en de onderliggende kenmerken van PID-mechanismen, zowel theoretisch als experimenteel, is van cruciaal belang voor het ontwikkelen van aangepaste karakteriseringsmethoden en PID mitigerende oplossingen. In de afgelopen 15 jaar heeft PID-onderzoek zich vooral gericht op kristallijnsilicium n⁺/p zonnecellen, de dominante technologie in de huidige PV-markt. Uitgebreid onderzoek heeft geleid tot oplossingen voor preventie en herstel, die steeds meer hun weg vinden naar industrialisatie. De combinatie van toenemende systeemspanningen, tot 1500 V en meer, en de opkomst van nieuwe PV-technologieën, zoals bifaciale PERC- en PERT-zonnecellen, leveren echter nieuwe (en mogelijk onomkeerbare) PID-mechanismen op.

Bifaciale zonnecellen worden op zo’n manier vervaardigd dat ze elektriciteit kunnen opwekken door het invallende licht aan zowel de voor- als de achterzijde van de zonnecel op te vangen. Hierdoor missen ze een metalen contact over de volledige achterzijde van de zonnecel, waardoor de achterzijde er hetzelfde uitziet als de voorzijde. Hierdoor worden extra degradatiemechanismen als gevolg van PID ontdekt, zoals getoond in figuur 8. Deze nieuwe degradatiemechanismen vinden gelijktijdig plaats aan de voor- en achterzijde, waardoor een complex gedrag ontstaat. Microstructurele onderzoeken om de oorzaak en mogelijke oplossingen te vinden moeten echter nog worden opgezet voor deze nieuwe bifaciale technologieën.

Naast de bifacale-kristallijnsiliciummarkt, moet PID ook worden onderzocht voor dunnefilm-PV-technologieën zoals perovskietzonnecellen, waar weinig bekend is over de PID-gevoeligheid en mechanismen. Dit zal nog belangrijker worden wanneer deze technologieën in tandemcellen in PV-parken van de toekomst worden gecombineerd.

Figuur 8: Dubbelzijdige PID van bifaciale p-PERC zonnecellen bij gebruik van een glas/glas moduleconfiguratie. ^[7]

Key takeaways

• PID van PV-modules wordt veroorzaakt door een hoog spanningsverschil (in de orde van 1000 V en meer) tussen het geaarde frame van de PV-module en de zonnecelmatrix;
• afdrijvende alkalimetaalionen, voornamelijk Na⁺, in de zonnecel onder invloed van een sterk elektrisch veld zijn de hoofdoorzaak van deze storingsmodus;
• PID kan worden beperkt op cel-, module- en systeemniveau;
• PV-modules met een prestatieverlies tot 85% zijn volledig herstelbaar, wat het belang van vroegtijdige PID-detectie onderstreept;
• de combinatie van toenemende systeemspanningen en de opkomst van nieuwe PV-technologieën zorgt voor nieuwe PID-mechanismen en verder onderzoek is dus nodig.

Referenties

Geschreven door Jorne Carolus, prof. dr. Ward De Ceuninck en prof. dr. Michaël Daenen. Jorne Carolus is sinds 2015 doctoraatsstudent aan UHasselt met een focus op Potential-Induced Degradation (PID) van PV-cellen en –modules. Ward De Ceuninck is hoofd van de elektrische- en materiaalkarakteriseringsgroep binnen EnergyVille/imec en professor aan UHasselt. Michaël Daenen is professor aan EnergyVille/UHasselt en focust voornamelijk op betrouwbaarheidsstudies voor PV-modules en systemen.