POTENZIALINDUZIERTE DEGRADATION (PID): EINE BEDROHUNG FÜR DIE EFFIZIENZ VON PHOTOVOLTAIKMODULEN
Da sich die Welt immer mehr erneuerbaren Energiequellen zuwendet, um ihren Energiebedarf zu decken, hat sich die Solarenergie zu einem wichtigen Akteur auf der Suche nach einer nachhaltigen Zukunft entwickelt. Ein effizienter Betrieb von Solarmodulen ist für die Maximierung der Energieausbeute und die Langlebigkeit des Systems unerlässlich.
Die Photovoltaik (PV)-Solarindustrie steht vor einer großen Herausforderung in Form der potenzialinduzierten Degradation (PID), die zu einer Verringerung der Leistung während der Lebensdauer von Solarmodulen führen kann. PID wird durch eine elektrische Potentialdifferenz zwischen der Vorder- und der Rückelektrode des Moduls verursacht. Dieses Versagen kann durch externe Faktoren wie Feuchtigkeit, hohe Temperaturen und bestimmte Chemikalien ausgelöst werden. Die Entwicklung neuer Materialien und Konstruktionen für PV-Module, die widerstandsfähiger gegen PID sind, sowie verbesserte Prüfmethoden und Strategien zur Vermeidung von PID müssen angegangen werden, um diese Herausforderung zu bewältigen.
Einleitung
Im Allgemeinen kann PID durch eine Spannung von einigen hundert Millivolt oder mehr zwischen der vorderen und hinteren Elektrode des PV-Moduls verursacht werden. Wie sich diese Spannung auf die Leistung des Moduls auswirkt, hängt von der Schwere der PID ab.
Das PV-Modul wird in der Regel an das PID-Prüfgerät angeschlossen, wobei die vordere und hintere Elektrode des Moduls in entgegengesetzter Polarität mit dem Prüfgerät verbunden sind. Das Prüfgerät legt dann eine Spannung und einen Strom an das Modul an, die in der Regel höher sind als die maximale Spannung und der maximale Strom, die unter normalen Betriebsbedingungen für das Modul zu erwarten sind.
Das Prüfgerät legt eine Spannung und einen Strom an, die hoch genug sind, um das Modul zu belasten und die Bedingungen zu simulieren, die zu PID führen könnten, aber nicht so hoch, dass das Modul beschädigt wird. Die Prüfung liefert in der Regel Daten über die Leistung des PV-Moduls, einschließlich etwaiger Änderungen der Leistungsabgabe oder anderer Parameter, die auf PID hinweisen können.
PID-Prüfsystem
Eine weitere Technik zur Erkennung von PID-Fehlern ist die Elektrolumineszenz-Bildgebung (EL), die in der Regel zur Erkennung von Defekten oder Rissen in PV-Modulen eingesetzt wird. Die Informationen aus der EL-Bildgebung tragen zu Fragen der Haltbarkeit und Zuverlässigkeit bei. Ein Potenzialunterschied zwischen der vorderen und der hinteren Elektrode kann dazu führen, dass ein elektrischer Strom zwischen den Elektroden fließt, was zu Veränderungen in den Lichtemissionsmustern führen kann. Durch die Analyse der EL-Bilder eines PV-Moduls ist es möglich, Veränderungen in den Lichtemissionsmustern zu erkennen, die auf eine PID hindeuten können. Die Verringerung der Lichtemissionen ist ein deutlicher Hinweis darauf, dass die PID die Leistung beeinträchtigt hat.
EL-Bilder: Das von der PID betroffene Modul in der oberen Abbildung weist an den Rändern dunklere Bereiche auf
Die Ionenwanderung ist einer der Mechanismen, die mit PID in PV-Modulen in Verbindung gebracht werden. Natriumionen sind von Natur aus in den Materialien vorhanden, die bei der Konstruktion von PV-Modulen verwendet werden, z. B. in Glas und Verkapselungsmaterialien. Unter normalen Betriebsbedingungen bleiben diese Ionen relativ stabil. Wenn das Modul jedoch höheren Spannungen und Temperaturen ausgesetzt ist, können Na+-Ionen aufgrund eines elektrischen Feldes durch die Modulstruktur wandern. Die Wanderung von Natriumionen (Na+) durch das Frontglas und die Verkapselung herkömmlicher PV-Module aus kristallinem Silizium trägt zur PID bei.
Wenn Na+-Ionen in Richtung der negativ vorgespannten Zelle wandern, sammeln sie sich in der Nähe der Oberfläche und erzeugen ein lokales elektrisches Feld. Dieses elektrische Feld kann zu einem Ladungsungleichgewicht innerhalb der Zelle führen, wodurch die elektrische Leistung sinkt. Die Anhäufung positiver Ladungen in der Nähe der Oberfläche kann zu einer Sperrspannung im p-n-Übergang führen, wodurch die Ausgangsspannung der Zelle und letztlich auch ihre Leistung verringert wird. Die Wanderung von Natriumionen wird durch das Vorhandensein von Feuchtigkeit innerhalb des Moduls begünstigt. Wassermoleküle können einen einfachen Weg für die Ionenwanderung bieten und die Ionenleitfähigkeit des Verkapselungsmaterials erhöhen.
Mögliche Pfade (1,2,3,4,5,6) für Leckströme
Verbesserte PID-Prüfverfahren, die speziell die Anfälligkeit von PV-Modulen für photovoltaische PID testen, sind: Temperatur- und Feuchtigkeitszyklustest, Gleichstromvorspannungstest und beschleunigter Alterungstest.
Temperatur- und Feuchtigkeitszyklustest
Das Modul wird in einer kontrollierten Umgebung, in der Regel einer Kammer, platziert, in der Temperatur und Luftfeuchtigkeit genau kontrolliert werden. Das Modul wird über mehrere Tage hinweg mehreren Zyklen mit unterschiedlichen Temperatur- und Feuchtigkeitsniveaus ausgesetzt. Im Anschluss an den Test wird das PV-Modul durch Messung der Leistungsabgabe, Analyse der elektrischen Eigenschaften oder Untersuchung von EL-Bildern auf Leistungsänderungen oder Probleme, die auf PID hinweisen, untersucht
Gleichstrom-Vorspannungstest
An das Modul wird eine Gleichspannung angelegt, die höher ist als die maximale Spannung, mit der das Modul unter normalen Betriebsbedingungen zu rechnen hat. Der DC-Bias-Test wird in der Regel über mehrere Tage durchgeführt, um sicherzustellen, dass das Modul ausreichend belastet wurde.
Beschleunigter Alterungstest
Zur Durchführung eines beschleunigten Alterungstests wird das PV-Modul in der Regel in eine Kammer oder eine andere kontrollierte Umgebung gebracht, in der die Temperatur, die Feuchtigkeit und die UV-Strahlung genau kontrolliert werden können. Das Modul wird dann einer Reihe von Extrembedingungen ausgesetzt, wobei die Temperatur, die Luftfeuchtigkeit und die UV-Strahlung über eine Reihe von Werten variiert werden
PID-resistente Solarmodule
Die Hersteller haben PID-resistente Solarmodule entwickelt, die mit fortschrittlichen Technologien ausgestattet sind, um die Degradation abzumildern und die langfristige Leistung zu erhalten. Diese Module verwenden verschiedene Strategien, um die Auswirkungen von PID zu verhindern oder zu minimieren, darunter verbesserte Zellkapselungsmaterialien, verbesserte Erdungstechniken und optimierte Modulkonstruktionen.
Ein gängiger Ansatz ist die Verwendung von Anti-PID-Beschichtungen auf der Oberfläche von Solarzellen, die als Barriere fungieren, um die Ionenwanderung zu verhindern und Leckströme zu minimieren. Diese Beschichtungen sind so formuliert, dass sie rauen Umweltbedingungen standhalten und eine langfristige Zuverlässigkeit gewährleisten.
Darüber hinaus verfügen PID-resistente Module häufig über verbesserte Erdungssysteme, um das Spannungspotenzial zwischen den Zellen und der Erde zu verringern und so das Risiko einer PID-bedingten Verschlechterung zu minimieren. Eine ordnungsgemäße Systemauslegung und -installation, wie z. B. die Gewährleistung eines angemessenen Abstands zwischen den Modulen und die Anwendung wirksamer elektrischer Verbindungstechniken, sind ebenfalls entscheidend für die Vermeidung von PID.
Diskussion
Die gemeldeten Leistungsverluste nach einer PID-Prüfung variieren unter den Bedingungen, die zur Prüfung der PID verwendet wurden, von Studie zu Studie stark. In einigen Studien werden Umgebungskammern verwendet, um Bedingungen zu simulieren, die denen im tatsächlichen Feldbetrieb ähneln, während in anderen Studien die PID in laufenden PV-Anlagen untersucht wird. Die Bedingungen, die den größten Einfluss auf die PID-Prüfung haben, können die Luftfeuchtigkeit, die Temperatur und die Dauer der Einwirkung der externen Spannung sein.
Fortschritte in der PID-resistenten Technologie bieten wirksame Lösungen, um die Auswirkungen der Degradation zu mildern und die langfristige Zuverlässigkeit von Solaranlagen zu gewährleisten. Durch die Investition in PID-resistente Solarmodule und die Umsetzung bewährter Verfahren bei der Systemauslegung und -installation können Solarprojektentwickler und -installateure den Energieertrag, die Leistung und die Langlebigkeit von PV-Systemen maximieren und so letztlich zur breiten Einführung sauberer und nachhaltiger Energielösungen beitragen.