Potenzialinduzierte Degradation

Fraunhofer-Center für Silizium-Photovoltaik CSP

In den letzten Jahren ist bei PV-Installationen mit hoher Systemspannung und trafolosen Wechselrichtern vermehrt Degradation von Solarmodulen, deren Zellen hohe negative Spannung gegenüber Erde aufweisen, aufgetreten. Dieser Effekt wird als potenzialinduzierte Degradation (PID) bezeichnet. Der Leistungsverlust kann dabei mehr als 30 Prozent betragen. Mit zunehmender zulässiger Systemspannung bis zu 1500 V und der Erschließung tropischer Standorte für die solare Stromgewinnung ist davon auszugehen, dass dieser Effekt an Bedeutung gewinnt.

Test- und Prüfverfahren

PID-Modultest

Im PID-Test werden Solarmodule unter feucht-warmen Bedingungen (Klimakammer) einer definierten Hochspannungsbelastung unterzogen. Der resultierende Leistungsverlust wird durch die Messung von Strom-Spannungskennlinien vor und nach dem Degradationsvorgang bestimmt. Bei fortgeschrittener Degradation, die sich u.a. durch stark herabgesetzte Parallelwiderstände anzeigt, lassen sich degradierte Bereiche mittels Elektrolumineszenz sichtbar machen.

PID Minimodultest

Ein davon abgeleiteter Test an Minimodulen (Solarmodule mit 1-2 Solarzellen) erlaubt die Verfolgung der Degradation in Echtzeit, indem Parallelwiderstand oder Strom-Spannungskennlinien mitgeloggt werden.

PID-Solarzelltest (ohne Lamination)

Es wurde ein PID-Test entwickelt, der ohne die aufwändige Herstellung von Modulverbünden und Klimakammern auskommt. Zu testende Solarzellen werden hierbei mit einer aufgelegten Elektrode der Hochspannungsbelastung ausgesetzt. Dieses zum Patent angemeldete Schnelltestverfahren erlaubt  neben der reinen quantitativen PID-Prüfung zudem eine einfache Präperation von degradierten Solarzellenoberflächen, die für die analytische Untersuchung der verschiedenen PID-Mechanismen notwendig ist.

Themen

Qualitative und quantitative Bewertung

Mit handelsüblichen Solarmodulen wurden beschleunigte Hochspannungsbelastungstest zur Prüfung auf PID-Empfindlichkeit durchgeführt. Nur die Hälfte der Module hat den Test bestanden und zeigte anschließend noch mindestens 95 Prozent der Ausgangsleistung.
Mit modernen bildgebenden Verfahren wie Elektrolumineszenz und Thermographie lassen sich die erzeugten Defekte sichtbar machen und identifizieren. An einem geschädigten PV-Modul, an dem unterschiedlich stark degradierte Zellen hervorgehoben wurden, zeigt sich in der ersten Stufe  die Schädigung in der Thermographieaufnahme durch einen Hotspot, Halbleitereigenschaften sind in dieser Stufe noch vorhanden. Bei fortschreitender Belastung verstärkt sich der Hotspot und wird dominant. Abschließend ist die Zelle komplett geshuntet und schaltet gleichmäßig durch. Hier kann keine Sonnenenergie mehr umgesetzt werden und das Modul büßt einen großen Anteil seiner ursprünglichen Leistung ein.
Der Test ist in der Lage, zwischen PID-resistenten Modulen und solchen, die möglicherweise degradieren, zu unterscheiden. Es ist dann möglich, ein Absinken der Moduleffizienz in verschiedenen Umgebungen vorauszusagen.

Physikalische Ursachenaufklärung

Es wurde herausgefunden, dass bei PID vornehmlich Natriumionen unter dem Einfluss des elektrischen Feldes durch die Siliziumnitrid-Antireflexschicht getrieben werden. Mittels Rasterelektronenmikroskopie (EBIC-Methode) wurde nachgewiesen, dass in Bereichen mit PID lokale Kurzschlüsse (Shunts) in der Solarzelle vorhanden sind. Mit Flugzeit-Sekundärionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS) wurde gezeigt, dass genau an den Shuntpositionen Natrium lokal angereichert an der Grenzfläche zwischen Siliziumnitrid und Silizium vorliegt. Das wird darauf zurückgeführt, dass Natrium in kristallografische Stapelfehler im Silizium eindringt, wenn es die Grenzfläche erreicht hat. Diese sogenannte Dekoration der Stapelfehler mit Natrium führt zu den beobachteten lokalen Kurzschlüssen des pn-Übergangs.

Publikationen

  • V. Naumann, C. Hagendorf, S. Großer, M. Werner, J. Bagdahn, Micro Structural Root Cause Analysis of Potential Induced Degradation in c-Si Solar Cells, Energy Procedia, Volume 27, 2012, Pages 1-6, ISSN 1876-6102, DOI 10.1016/j.egypro.2012.07.020.
  • J. Bauer, V. Naumann, S. Großer, C. Hagendorf, M. Schütze, and O. Breitenstein, On the mechanism of potential-induced degradation in crystalline silicon solar cells, Phys. Status Solidi RRL 6, No. 8 (2012), 331–333 / DOI 10.1002/pssr.201206276
  • V. Naumann, D. Lausch, S. Großer, M. Werner, S. Swatek, C. Hagendorf, J. Bagdahn, “Microstructural analysis of crystal defects leading to potential-induced degradation (PID) of Si solar cells”, Energy Procedia, Volume 33, 2013, Pages 76-83, ISSN 1876-6102, DOI 10.1016/j.egypro.2013.05.042
  • V. Naumann, D. Lausch, A. Graff, M. Werner, S. Swatek, J. Bauer, A. Hähnel, O. Breitenstein, S. Großer, J. Bagdahn, and C. Hagendorf, “The role of stacking faults for the formation of shunts during potential induced degradation (PID) of crystalline Si solar cells”, Phys. Status Solidi RRL 7, No. 5 (2013), 315–318 / DOI 10.1002/pssr.201307090.
  • Volker Naumann, Dominik Lausch, Angelika Hähnel, Jan Bauer, Otwin Breitenstein, Andreas Graff, Martina Werner, Sina Swatek, Stephan Großer, Jörg Bagdahn, Christian Hagendorf, Explanation of potential-induced degradation of the shunting type by Na decoration of stacking faults in Si solar cells, Solar Energy Materials and Solar Cells Vol. 120 (2014), 383-389, dx.doi.org/10.1016/j.solmat.2013.06.015

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