Potenciálově indukovaná degradace fotovoltaických modulů

Rok / Year: 2015

Svazek / Volume: 17

Číslo / Number: 6

Potenciálově indukovaná degradace fotovoltaických modulů Potential induction degradation of photovoltaic modules Josef Hylský, Dávid Strachala, Jiří Vaněk [email protected], [email protected], [email protected] Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně

Abstrakt: Článek se zabývá aktuální problematikou poklesu výkonu fotovoltaických elektráren způsobenou potenciálově indukovanou degradací – zkráceně PID. PID je diskutován z hlediska jeho možných příčin a vlivu na výstupní charakteristiky jak fotovoltaických článků, tak celých modulů. Zmíněny jsou rovněž metody testování a diagnostiky zasažených modulů, včetně detailnějšího rozboru jeho působení na jednotlivých úrovních fotovoltaického systému.

Abstract: The article is focused to the actual issue of degrading power of photovoltaic power plants by potential induction degradation (PID). PID is discussed from point of view of possible causes and impacts on the output characteristics of photovoltaic cell and also whole modules. The methods for testing and diagnostic of touched modules are also mentioned with detailed analysis of impact on each level of photovoltaic system.

VOL.17, NO.6, DECEMBER 2015

Potenciálově indukovaná degradace fotovoltaických modulů Josef Hylský, Dávid Strachala, Jiří Vaněk Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně Email: [email protected], [email protected], [email protected]

Abstrakt – Předkládaný článek se zabývá aktuální problematikou poklesu výkonu fotovoltaických elektráren způsobenou potenciálově indukovanou degradací – zkráceně PID. PID je diskutován z hlediska jeho možných příčin a vlivu na výstupní charakteristiky jak fotovoltaických článků, tak celých modulů. Zmíněny jsou rovněž metody testování a diagnostiky zasažených modulů, včetně detailnějšího rozboru jeho působení na jednotlivých úrovních fotovoltaického systému.

V konečném důsledku dochází k ovlivňování výsledných parametrů fotovoltaických modulů [1].

přední kontakt

1 Úvod

antireflexní vrstva n+ vrstva

p vrstva

V současné době probíhá diskuse nejen majitelů a výrobců fotovoltaických elektráren, ale i odborníků, nad novou hrozbou snižující výkonnost fotovoltaických elektráren až o 15 % [1], kterou může být fyzikální jev zvaný potenciálová indukovaná degradace (v zahraniční literatuře uvedena zkratkou PID - Potential Inducated Degradation , rovněž označován za „vysokonapěťový stres“ - High Voltage Stress). Problematika PID byla prvně zaznamenána již v roce 1970, zůstala však dlouhou dobu jen předmětem laboratorního zkoumání [1]. S postupným nárůstem výroby fotovoltaických modulů a tlakem na nižší výrobní cenu mnohdy na úkor kvality použitých materiálů, se začal tento nežádoucí jev naplno projevovat. V roce 2010 na jeho negativní účinky hlasitě upozornila společnost SOLON a opět tak o něm zvýšila obecné povědomí [2]. Podrobnou studii o častém výskytu PID ve fotovoltaických modulech vydal o 2 roky později Fraunhofer Institut sídlící v Německu, který jej identifikoval u 46 % z 96 testovaných modulů různých výrobců [3].

2 Teorie problematiky PID Samotný PID, jak ostatně název napovídá, se projevuje v důsledku potenciálového napětí mezi aktivní částí fotovoltaického modulu tvořeného zpravidla fotovoltaickými krystalickými články a jeho hliníkovým rámem [4]. K jevu dochází pouze u fotovoltaických modulů nacházejících se v blízkosti záporného pólu v tzv. stringu fotovoltaické elektrárny. Pojmem string označujeme řadu za sebou zapojených modulů fotovoltaického pole [1]. Vyšší záporný potenciál v blízkosti krajních modulů (-150 až -450 V vzhledem k uzemněnému rámu) ovlivňuje aktivní část modulů tvořenou fotovoltaickými články. Vlivem vysokého záporného napětí může dojít ke vzniku svodových proudů při přestupu elektronů z objemu fotovoltaického článku do hliníkového rámu, nebo naopak k pohybu iontů z materiálů užitých při konstrukci fotovoltaického modulu (ochranné sklo, fólie, izolačních výplní, atd.) do struktury článku - viz obrázek 1.

enkapsulace zadní kontakt

Obrázek 1: Schématické znázornění vzniku svodových proudů elektrony (-) (růžová) a kladně nabitých iontů (+) (bílá) prostupujících do struktury solárního článku (SČ) [1] K projevu PID nemalou měrou přispívají environmentální faktory v podobě zvýšené teploty a vlhkosti v okolí fotovoltaických modulů (článků), které urychlují degradaci a mobilitu nosičů náboje. 2.1 Vliv PID na výstupní charakteristiky fotovoltaických článků a modulů Možné příčiny vzniku PID budou diskutovány dále. Nejprve zde bude uveden způsob, jakým se snižuje výstupní výkon fotovoltaických elektráren. Mezivrstvová polarizace způsobená PID a s ní spjaté svodové proudy nepříznivě ovlivňují výsledné voltampérové charakteristiky fotovoltaických článků a modulů. Důsledek působení PID je ve snížení paralelního odporu Rp struktury fotovoltaického článku. Nízké hodnoty paralelního odporu Rp snižují parametr napětí naprázdno UOC fotovoltaického článku, případně modulu. S poklesem paralelního odporu, napětí naprázdno (proud nakrátko ISC se snižuje rovněž, ne však výrazně) klesá jeden z nejdůležitějších ukazatelů výtěžnosti fotovoltaických článků / FV modulů, čímž je Fill Factor. Fill Factor, neboli činitel plnění, lze charakterizovat jako poměr nejvyššího dosažitelného a „teoretického“ výkonu článku/modulu. Výpočet Fill Factoru lze provést jako:

175

VOL.17, NO.6, DECEMBER 2015

FF 

U MP I MP , U OC I SC

(1)

kde UMP a IMP označujeme měřené napětí a měřený proud článku/modulu a UOC, ISC jsou již dříve zmíněné napětí naprázdno a proud nakrátko. Snížením Fill Factoru logicky klesá účinnost celého systému a celková výtěžnost fotovoltaické elektrárny. Pokles parametrů a vliv na voltampérovou charakteristiku fotovoltaického modulu zasaženého PID je ilustrován na obrázku 2. poskytnutým z měření na pracovišti společnosti Fill Factory s.r.o. [4].

Obrázek 3: Působení PID detekovaného elektroluminiscencí pří narůstající výkonové ztrátě fotovoltaických modulů

Obrázek 2: Voltampérová charakteristika fotovoltaického modulu zasaženého PID

3 Vliv PID na jednotlivých úrovních fotovoltaického systému

2.2 Testování a identifikace modulů na PID V době vzrůstajícího výskytu PID je důležitá jeho včasná identifikace, případně garance odolnosti modulů vůči nechtěnému jevu. Ať už samotní výrobci, nebo nezávislé testovací instituty, využívají při testování několik metod počínaje vytvořením zátěžových environmentálních podmínek. Příkladem může sloužit mezinárodní standard IEC 62804, jenž doporučuje simulací prostředím [5]: o o o o

Průkazná metoda potvrzující předpoklad výskytu PID v blízkosti zvyšujícího se negativního potenciálu je měření elektroluminiscencí. Elektroluminiscence je založena na zachycení a zobrazení světelné emise způsobené zářivou rekombinací křemíku. Pro demonstraci působení PID jsou zde přiloženy měření elektroluminiscencí postiženého modulu v laboratoři Vysokého učení technického v Brně - obrázek 3. Z uvedených obrázků jsou při snižujícím se výkonu modulu pozorovatelné neaktivní fotovoltaické články zejména na okraji fotovoltaického modulu. FV články nevykazují světelnou emisi a jsou proto zobrazeny tmavě.

aplikované napětí 600–1500 V teplota okolí: 60 °C ± 2 °C relativní vlhkost prostředí 85% ± 5 % doba testování: 96 hodin

Na problematiku potenciálově indukované degradace lze nahlížet v rámci třech úrovní. První se zabývá fotovoltaickým systémem, který si lze představit jako celou FV elektrárnu. Druhou úrovní je fotovoltaický modul, jenž zahrnuje jednotlivé komponenty FV modulu. Poslední úrovní je samotný fotovoltaický článek a jeho technologické parametry. Každá z těchto úrovní přispívá a zároveň je ovlivňována PID. Vhodným opatřením, ať už volbou materiálu, změnou technologie výroby, nebo samotným zamezením vysokého potenciálového napětí mezi záporným pólem stringu a zemí, je možno minimalizovat vliv nežádoucího jevu. Nyní budou blíže specifikovány jednotlivé úrovně: 3.1 Úroveň fotovoltaického systému

Pokud výkonová ztráta fotovoltaických modulů nepřesáhne hodnotu 5 %, jsou označeny za rezistivní vůči PID. Identifikace PID na již zasažených fotovoltaických modulech lze provést několika způsoby. Nejjednodušší spočívá ve změření napětí naprázdno UOC obyčejným voltmetrem. PID může být následně odhalen sníženou hodnotou předpokládaného napětí naprázdno v relaci s polohou modulu ve stringu. Finančně o něco náročnější metody identifikují PID prostřednictvím měření paralelního odporu, polohy bodu maximálního výkonu elektrárny, vynesením voltampérových charakteristik modulů, použitím termokamer a jinými přístroji.

Vlivem neustálého zvyšování výkonu fotovoltaických elektráren stoupá počet modulů zapojených ve stringu. To má za následek zvyšování napětí na záporném pólu mezi fotovoltaickým článkem a uzemněným rámem fotovoltaického modulu. Na úrovni fotovoltaického systému je možné toto záporné napětí vyrušit vhodným uzemněním aktivní části fotovoltaického modulu. Obecně jsou u fotovoltaických elektráren použity tři způsoby, jakými je pól ve stringu buď uzemněn, nebo využívá tzv. plovoucí zem (bez uzemnění). Možné potenciály napětí v závislosti na umístění jednotlivých modulů jsou znázorněny na následujícím obrázku [6].

176

VOL.17, NO.6, DECEMBER 2015 pojmem Acit) jako variantu snížení migrace iontů sodíku na povrch fotovoltaického článku, čímž se omezí vznik degradace PID. Z následujícího obrázek 5 je dobře patrné, že při použití inomerních tenkých fólií, je procentuální pokles výkonu FV článku z důvodu degradace PID minimální.[9]

Obrázek 4: Závislost pozice modulu ve stringu na potenciálu napětí Uzemnění kladného pólu stringu je vyjádřeno zelenou barvou. Tato možnost je pro zamezení vzniku PID už z podstaty věci nevhodná. Oproti tomu uzemněním záporného pólu stringu posouváme potenciál napětí všech modulů do kladných hodnot, což je pro eliminaci PID žádoucí. Pokud však není součástí střídače FV elektrárny transformátor, jenž galvanicky odděluje stejnosměrnou složku od střídavé, uzemnění záporného pólu není z hlediska bezpečnostních norem možné. Z tohoto důvodů je dnes nejčastěji užívaná konfigurace bez uzemnění, realizovaná plovoucí zemí viz obrázek 4. V tomto provedení jsou ve stringu nejvíce zasaženy moduly s vysokou hodnotou záporného potenciálového napětí. Se snižujícím se záporným potenciálovým napětím degradace PID klesá. Jak již bylo zmíněno dříve, na velikost degradace má vliv počet modulů zapojených ve stringu a jejich nominální hodnota napětí. 3.2 Úroveň fotovoltaického modulu Fotovoltaický modul se skládá z několika částí, které spolu tvoří sendvičovou strukturu hermeticky uzavřenou a zapouzdřenou v hliníkovém rámu. Fotovoltaické články jsou nejčastěji zapouzdřeny v etylen vinyl acetátové fólii (EVA). Jako vrchní vrstva chránící fotovoltaické články před environmentálními vlivy je použité ochranné sklo. Ochranné sklo je většinou realizováno jako sodnovápenaté nebo sodnodraselné. Spodní stranu fotovoltaického modulu uzavírá polyvinylfluorid laminát (PVF) známý pod pojmem tedlar. Na této úrovni se problém PID může eliminovat vhodnou volbou použitých materiálu. Z jmenovaných prvků nejrazantněji přispívají k tvorbě PID používaná skla. V jejich struktuře se nacházejí volné kladné ionty sodíku Na+, jež v působícím elektrickém poli mohou přecházet na povrch fotovoltaických článků, kde negativně ovlivňují funkci samotného PN přechodu. Materiály používané k laminaci sloužící k ochraně a galvanickému oddělení fotovoltaických komponent v modulu, mohou přímo ovlivnit velikost degradace PID. Nahrazením dnes často používané etylen vinil acetátové fólie (EVA) alternativním materiálem, u něhož je migrace iontů sodíku výrazně nižší, dochází k rapidnímu poklesu degradace PID. [9] Článek [9] uvádí použití tenkovrstvé ionomerové fólie (částečně neutralizovaný polyetylén, komerčně znám pod

Obrázek 5: Snížení výkonu FV článku po degradaci PID pro různé použité pouzdřící fólie [9] Druhým, neméně důležitým faktorem na úrovni fotovoltaického modulu, je vyskytující se vlhkost uvnitř sendvičové struktury. Nežádoucí je zejména vznik kyseliny octové zapříčiněné chemickou reakcí vlhkosti s EVA fólií v její těsné blízkosti . Kyselina octová rozpouští kovové ionty na povrchu skla, které mají obdobný efekt jako ionty sodíku Na + a přispívají tak k akceleraci PID [1]. Důsledkem zvýšení volných iontů vyskytující se v objemu sendvičové struktury je zvýšení tzv. iontové vodivosti. Jako další vhodná opatření se na této úrovni jeví používání předních skel, jejichž struktura neobsahuje volné kladné ionty. Důležité je rovněž zaměřit se na vlastnosti silikonových tmelů, které s hliníkovým rámem hermeticky uzavírají sendvičovou strukturu a zabraňují tak pronikání vlhkosti. 3.3 Úroveň fotovoltaického článku Na této úrovni najdeme podstatu snížení účinnosti fotovoltaických elektráren zasažených PID. Významnou roli ve vzniku PID hraje antireflexní / pasivační vrstva, dále značená jako ARC - z anglického Anti-Reflective Coating. ARC je nanesena na povrchu křemíkového fotovoltaického článku, kde zvyšuje absorpci přímého slunečního záření a také snižuje povrchovou rekombinaci nosičů náboje. Na povrchu a v objemu fotovoltaického článku sahajícím až na rozhraní ARC vrstvy s materiálem křemíku se akumulují kladné ionty sodíku Na+. Místa se zvýšenou koncentrací Na+ korespondují s místy omezené funkce PN přechodu. Z makroskopického hlediska může dojít až k jeho zkratu. Tato skutečnost je znázorněna na obrázek 6, v němž jsou výsledky analýzy metodou ToF SIMS známou jako sekundární iontová hmotnostní spektroskopie. Tímto měřením lze lokalizovat místa s vyšší koncentrací Na+ (na obrázku 6a zobrazeny zelenými body). Shodu míst s vyšší koncentrací Na+ a výskytem zkratu PN přechodu potvrzuje v témže obrázku mikroskopická

177

VOL.17, NO.6, DECEMBER 2015 analýza prostřednictvím EBIC (Electron Beam Induced Current). Koncentrační profil výskytu Na+ (zeleně) a průběh antireflexní vrstvy (červeně) jsou znázorněny na obrázku 6 b). Zde je dobře viditelné, že koncentrace Na + proniká do celého objemu od povrchu až na rozhraní vrstev ARC a základního materiálu, v němž se hromadí.

Výsledné elektrické pole nábojů nově vzniklé „dvojvrstvy“ začne odpuzovat majoritní nosiče, neboli elektrony, v emitoru fotovoltaického článku. V případě, že jsou náboje a tím i výsledné elektrické pole dostatečně silné, mohla by v emitoru článku nastat inverzní oblast p+. Tato teorie by vysvětlovala pozorované snížení paralelního odporu RP fotovoltaického článku [9].

Obrázek 7: Možný vliv a vznik PID na úrovní fotovoltaického článku [9] Poslední výzkumy problematiky PID se zaměřují na samotnou atomární úroveň fotovoltaických článků, kde byla zjištěna významná role vrstvených chyb (krystalografických chyb) o délce několika mikrometrů ve struktuře fotovoltaického článku - od rozhraní SiNx (pasivační vrstva - nitrid křemíku) / Si přes PN přechod do P dotované oblasti základního materiálu. Měřením bylo prokázáno, že tyto chyby jsou spjaty s koncentrací iontů sodíku a tvorbou zkratů PN přechodu. Předpokládá se, že ke kontaminaci sodnými ionty dochází během namáhání degradací PID, což vede ke změně elektrické struktury fotovoltaického článku [10].

4 Závěr Obrázek 6: a) Poloha kladně nabitých iontů sodíku (zeleně) na povrchu fotovoltaického článku měřena sekundární iontovou hmotnostní spektroskopií, b) koncentrační profil výskytu iontů sodíku (zeleně) a průběh antireflexní a pasivační vrstvy (červeně) na povrchu a v objemu fotovoltaického článku [7] Způsob, jakým koncentrace Na+ ve vrstvě ARC a v objemu křemíku působí na samotný PN přechod a zároveň snaha o vysvětlení fyzikální podstaty vzniku PID, je dnes předmětem mnoha odborných prací. Jedna ze starších vědeckých hypotéz referuje o vytvoření inverzní hladiny v emitoru, která se projeví jako zkrat v PN přechodu fotovoltaického článku. Díky vysokému napětí mezi fotovoltaickým článkem a skleněným povrchem se odhaduje, že kladně nabité ionty Na+ migrují směrem k antireflexní vrstvě, což vede k pozorovaným únikům proudu. V uváděném modelu publikace [9] na obrázku 7. se předpokládá, že v některých polohách ARC vrstvy kladné náboje přitahují a vytvářejí vrstvu záporných nábojů právě mezi vrstvou kladných nábojů a emitorem o dotaci n+.

Pro vlastníky fotovoltaických elektráren je každé snížení účinnosti systému velice nepříjemnou záležitostí, kterou je žádoucí co nejrychleji identifikovat a případně odstranit. V předkládaném článku je nastíněna možná příčina snižování výtěžnosti fotovoltaických článků, fotovoltaických modulů, či elektráren působením potenciálové indukované degradace (PID). Problematika PID je v dnešní době hojně diskutovanou záležitostí a proto se mnoho fotovoltaických laboratoří zabývá fyzikální podstatou vzniku a působením tohoto jevu. I přes veškerou snahu objasnit daný problém je stále plno neznámých, na které se je vhodné v rámci výzkumu PID zaměřit.

Poděkování Tato publikace vznikla za podpory projektu č. LO1210 "Energie v podmínkách udržitelného rozvoje (EN-PUR)" řešeného v rámci Centra výzkumu a využití obnovitelných zdrojů energie (CVVOZE) a projektu FEKT-S-14-2293 Materiály a technologie pro elektrotechniku II.

178

VOL.17, NO.6, DECEMBER 2015

Literatura [1] Lahký, Martin: Pokles výkonu fotovoltaických elektráren v důsledku vysokonapěťového stresu Další rána pro majitele solárních elektráren., oze.tzbinfo.cz[online]. 2015 [cit. 2015-5-18]. Dostupné z: http://oze.tzb-info.cz/fotovoltaika/12260-poklesvykonu-fotovoltaickych-elektraren-v-dusledkuvysokonapetoveho-stresu [2] Schuetze, et al, Laboratory Study of Potential Induced Degradation of Silicon Photovoltaic Modules, Q-Cells SE, Sonnenallee 17-21, 06766 BitterfeldWolfen [3] Heriber t Schmidt and Bruno Burger, Interactions between Solar Panels and Inverters, FraunhoferInstitut für Solare Energiesysteme (ISE), December 2010 [4] Hanák, K., et al, Defekty na fotovoltaických modulech,In: 8. Česká fotovoltaická konference, Rožnov pod Radhoštěm, Czech RE Agency, o.p.s., 2013 [5] Peter Hacke., Considerations for a Standardized Test for Potential‐Induced Degradation of Crystalline SiliconPV Modules, February 29, 2012 NREL/PR5200-54581 [6] Berghold et al., 2010 Berghold, J., et al., 2010. Potential Induced Degradation of solar cells and panels. In: 25th EUPVSEC, pp. 3753–3759. [7] Naumann V.,Microstructural Analysis of Crystal Defects Leading to Potential- Induced Degradation (PID) of Si Solar Cells, Energy Procedia 33 (2013) 76 – 83. [8] Bauer J, Naumann V, Großer S, Hagendorf C, Schütze M, Breitenstein O. On the mechanism of potentialinduced degradation in crystalline silicon solar cells. Phys. Status Solidi RRL 2012; 6(8):331 3. [9] Jane Kapur, Katherine M. Stika, Craig S. Westphal, Jennifer L. Norwood, and Babak Hamzavytehrany, Prevention of Potentional Induced Degradation With Thin Inomer Film, IEEE Journal of Photovoltaics, Vol. 5, NO. 1, January 2015 [10] V. Naumann, D. Lausch, A. Hahnel, J. Bauer, O. Breitenstein, A. Graff, M. Werner, S. Swatek, S.Groser, J. Bagdahn andC.Hagendorf, “Explanation of potential-induced degradation of the shunting type by Na decoration of stacking faults in Si solar cells,” Sol. Energy Mater. Sol. Cells, vol. 120, pp. 383–389, 2014.

179