Praktijkonderzoek naar degradatiemechanismen pv-panelen

Door te grote verschillen tussen laboratoriumresultaten en de praktijk is het lastig het gedrag en prestaties van pv-panelen vanuit het laboratorium te voorspellen.

Lab versus praktijk

Om de voorspelbaarheid te verbeteren, is het in eerst instantie belangrijk de degradatiemechanismen te kennen waardoor de panelen defect raken of een lagere opbrengst hebben dan beoogd. Laboratoriumonderzoek naar de degradatie bij specifiek pv-panelen is echter lastig omdat ze in de buitenomgeving – waar ze veelal worden geplaatst – bloot staan aan veel externe factoren, waaronder alle mogelijke weersomstandigheden inclusief temperatuur, luchtvochtigheid, straling en windbelasting, maar ook mechanische belasting, schaduwwerking enzovoorts. Met al deze factoren moet in laboratoria bij het uitvoeren van simulaties en onderzoek rekening worden gehouden, wat complex is. Theelen: ‘Inmiddels is ook gebleken dat de defecten en faalmechanismen die in het lab optreden niet altijd overeenkomen met het uitvallen en onderpresteren van de pv-panelen in het veld. Hierdoor is het feitelijk lastig om vanuit enkel een laboratoriumsituatie de onderliggende oorzaken te achterhalen, mogelijkheden om deze uit te sluiten of af te zwakken of de variëteit te voorspellen.’ Om de theoretische modellen te verbeteren en hiermee labonderzoek betrouwbaarder te maken, is het een logische stap om het onderzoek te verschuiven naar het achterhalen van de faaloorzaken bij pv-panelen die in de praktijk defect zijn geraakt. Maar ook dit is niet eenvoudig. Regulier onderzoek beperkt zich vaak tot visuele inspecties, warmte- en elektrische metingen, maar geven daarbij vooral aan op welke plaatsen en hoe erg het paneel defect is geraakt. Het waarom blijft vaak onbekend. Theelen: ‘Ik wilde altijd dolgraag ín de panelen kijken om zowel de fundamentele, fysieke als chemische eigenschappen te doorgronden, maar dat is lastig omdat de gelaagde opbouw – de beschermingsmaterialen en de lijm – bijna niet is op te heffen zonder de zonnecellen wezenlijk te beschadigen. Om die reden heb ik de afgelopen jaren met andere onderzoekers een methode ontwikkeld waarmee dit uiteindelijk toch mogelijk is. Dit maakte de weg vrij om onderzoek te doen naar de relatie tussen verandering in materiaal en elektrische eigenschappen op delen van het paneel die er slecht uitzien of ondermaats presteren. Omdat ons onderzoeksonderwerp cigs-pv is, hebben we in samenwerking met een groot aantal andere partijen, gefocust op dit type materiaal. Deze aanpak is echter ook prima te gebruiken voor andere typen pv.’

Onderzoek degradatiemechanismen

Het onderzoek naar degradatiemechanismen start met het selecteren van gedegradeerde panelen. Theelen: ‘Gedegradeerde panelen krijgen we van commerciële partijen, zoals PI Berlin en EigenEnergie.net uit Geldrop. Deze partijen maken uit de zeer grote aantallen panelen een keuze op basis van onderprestatie of visuele verandering en sturen deze exemplaren naar ons.’ Vervolgens is het zaak om interessante locaties van een pv-paneel dat defect is geraakt vast te stellen. Dit is enerzijds mogelijk door visuele inspectie, waarbij zowel grotere als kleinere beschadigingen worden gelokaliseerd en vastgelegd. Onderliggende defecten worden echter vooral gevonden door technieken die bijvoorbeeld spanningsverschillen in het materiaal kunnen vaststellen, zoals elektroluminescentie technieken (el).

Van links naar rechts: ­­het uit de module boren van samples en het verwijderen van beschermlagen en vrijmaken van de zonnecel (foto’s: Rémi Aninat, Pelin Yilmaz, Simona Villa, Niels van Loon).

Monstername en scheiding

Na het vaststellen van de interessante delen van het pv-paneel wordt uit deze delen met een holle diamantboor of via waterstraalsnijden een monster gesepareerd. Theelen: ‘Het boren van deze monsters is niet de hogere wiskunde die ons onderzoek uniek maakt. In beide gevallen is het resultaat een cirkelvormig, representatief monster dat de volledige laagopbouw van het paneel omvat. Het kenmerkende deel van ons onderzoek betreft de volgende stap: het verwijderen van de bovenste glaslaag inclusief lijm waarbij de onderliggende zonnecellen niet beschadigen. Hiermee zijn de zonnecellen toegankelijk voor analyse met behulp van een groot aantal technologieën die beschikbaar zijn in het laboratorium.’
‘Deze stap van scheiding is vooral lastig omdat zonnecellen stevig zitten vastgeplakt. Daarnaast variëren de diktes van het zonnecelmateriaal van minder dan 200 μm voor siliciumcellen tot minder dan 4 μm voor dunnefilm-zonnecellen. De laatste bestaan uit minimaal vijf lagen die allemaal op de verkeerde plek kunnen scheiden; dus niet op de grens van de zonnecellen en de lijmlaag, maar binnenin de zonnecel zelf waarmee de laatste beschadigt. Daarbij komt dat elke fabrikant zijn eigen processen en adhesiemiddelen gebruikt om de verschillende lagen met elkaar te verbinden waardoor feitelijk elk paneel zijn eigen aanpak nodig heeft om een ‘schoon’ monster te verkrijgen.’

Defecten en faalmechanismen die in het lab optreden, komen niet altijd overeen met het uitvallen en onder­presteren van de pv-panelen in het veld

Analyse van de cellen

Vervolgens zijn verschillende laboratorium technieken toe te passen om de monsters te onderzoeken, zoals fotoluminescence (pl) en illuminated lock-in thermografie (ilit). Hiermee zijn afbeeldingen (foto’s) te maken die handmatig of geautomatiseerd zijn te beoordelen. I-V en eqe worden ingezet voor het bepalen van de elektrische eigenschappen. Technieken om de materiaalkarakteristieken te bepalen zijn sem-edx, microscopische analyse en GD-oes (glow discharge – optical emission spectrometry) voor de chemische samenstelling, zoals het natriumprofiel. Theelen: ‘Belangrijk is dat je nu met al deze technieken monsters uit het veld onder dezelfde omstandigheden kunt onderzoeken. Dit maakt het mogelijk een diepte-vergelijking te maken tussen de gedegradeerde en niet-gedegradeerde delen van het pv-paneel.’ De verschillende onderzoeken waarbij Theelen betrokken is, richten zich momenteel op drie faalmechanismen:
• PID (potential induced degradation): het falen van het pv-paneel door grote potentiaalverschillen.
• Scherpe partiele schaduwwerking wat kan leiden tot de vorming van ‘wormpjes’.
• Invloed van water: wanneer de ‘verpakking’ van een pv-paneel niet goed is, bijvoorbeeld omdat de beschermende materialen zijn gebroken, dan kan water in het pv-paneel komen en daar schade aanrichten.

Verschillende cirkelvormige monsters uit de interessante locaties van pv-panelen.

PID

PID is een degradatiemechanisme dat veel voorkomend is bij kristallijn silicium-zonnepanelen. Theelen: ‘Bij cigs hebben wij dit slechts bij één batch van een producent gezien, maar dat gaf ons wel de mogelijkheid om dit fenomeen te onderzoeken en te vinden welke mechanismen daartoe leidden. Hiervoor maken we gebruik van modules die afkomstig zijn van pi Berlin.’ Veel pv-modules – dus ook cigs-panelen – staan normalerwijs in serie geschakeld waarbij systeemspanningen van 1.000 – 1.500 V normaal zijn. Er kunnen dan lekstromen optreden vanuit het frame waarin de panelen zijn aangebracht naar het paneel zelf. Onderzoekster Pelin Yilmaz: ‘Deze lekstromen bevorderen op hun beurt ionenstromen die zich ophopen in de cel waardoor bepaalde delen van de cel (bijvoorbeeld de toplagen) minder goed gaan functioneren. Dit leidt uiteindelijk tot een efficiëntieverlaging; vaak samenhangend met de FF ofwel ‘fill factor’, die het maximale vermogen bepaalt, of om andere redenen’.
‘Observaties in het veld aan cigs-modules wezen uit dat pid vooral de negatieve pool aantast en dat degradatie eerder optreedt bij de cellen die onder een steeds hogere negatieve spanning staan: dus -1.000 V is slechter dan -500 V.’ Voor het onderzoeken van de monsters afkomstig van beschadigde delen en de onbeschadigde referentiemonsters, is onder meer gebruik gemaakt van Photoluminescence (pl), Illuminated Lock-in thermografie (ilit), stroom-spanning metingen, microscopische analyse en gd-oes voor het natriumprofiel. Theelen: ‘Het onderzoek geeft onder meer aan dat commerciële cigs-panelen die bloot hebben gestaan aan grote potentiaalverschillenden, een lagere pl- en el-intensiteit vertonen, een reductie van Voc en ff en een verplaatsing van natrium ionen in de absorber.’

Partiele schaduwwerking

Een ander onderzoek richt zich op de effecten van gedeeltelijke schaduwwerking op de panelen, die kan leiden tot beschadigingen. Dit onderzoek wordt geleid en uitgevoerd door Klaas Bakker en Remin Aninal. Zij zien dat de ernst van de schade samenhangt met de oriëntatie van de panelen en de wijze waarop ze in serie zijn geschakeld. Wanneer binnen één paneel bijvoorbeeld voor een deel vol in de zon ligt en een ander deel in de volledige schaduw, dan zal een deel van de cellen maximaal energie opwekken en de beschaduwde cellen veel minder door de hogere weerstand. Dit kan leiden tot hotspots en schade. Wanneer een paneel daarentegen volledig in de schaduw ligt is er hooguit sprake van een lagere energieopwekking, maar treden bovenstaande problemen niet op. Dit effect is bij kristallijn silicium en flexibele cigs te voorkomen door bypass diodes in te schakelen. Die voorkomen de negatieve effecten van schaduwwerking, maar verlagen wel de stroomopbrengst.

Confocale microscopie levert mooi beeld van een wormpje.

Wormpjes

Bij cigs-zonnepanelen leidt partiele schaduwwerking tot een fenomeen dat wetenschappers ‘wormpjes’ noemen. Het fenomeen kan zich van plek naar plek verplaatsen en daarbij een wormvormig spoor vormen; het lijkt vooralsnog vooral een effect te zijn van lokaal oplopende temperaturen. De wormpjes springen dan naar plekken waar het materiaal van de panelen op microscopische schaal iets verzwakt is. In de praktijk gebeurt dit niet veel want de hele lange, smalle cellen zijn 5x1.200 mm, dus om deze exact partieel te beschaduwen komt zeer zelden door. Theelen: ‘Dit kan bijvoorbeeld wel gebeuren wanneer gebruik wordt gemaakt van een schoonmaakrobot terwijl de panelen niet zijn uitgeschakeld. Houd daar dus rekening mee.’
‘Naast de twee zojuist genoemde degradatiemechanismen, pid en wormvormige effecten, onderzoeken we ook de invloed van vochtbinnendringing en naar onvolkomenheden in de productieprocessen van leveranciers de kunnen leiden tot bijvoorbeeld slechte elektrische verbindingen. Al dit onderzoek is van belang om uiteindelijk de opbrengsten van pv-panelen te maximaliseren.’

De wereld is een proeftuin

Met de mogelijkheden van de nieuwe scheidingstechniek lopen op dit moment verschillende onderzoeken aan panelen uit ‘het veld’. Theelen: ‘Het mooie van deze nanometer-onderzoeken op kilometerschaal is dat het fundamenteel onderzoek betreft dat direct kan worden gebruikt om praktische problemen op te lossen. De resultaten kunnen de basis vormen voor producenten om pv-panelen te maken met een langere levensduur en minder storingen of achteruitgang in efficiëntie. Dit betekent dat er ook minder panelen vroegtijdig worden afgedankt en dat een maximum aan elektrische energie wordt geproduceerd.’
‘Doelgroepen waarop wij ons richten met onze onderzoeksmogelijkheden zijn onderzoeks- en testcentra, installateurs en verzekeringsmaatschappijen. Zij kunnen met de vraag komen om van een specifiek paneel te achterhalen wat de oorzaak van falen is, of dit te wijten is aan de producent of productietechniek of anders en of bepaalde panelen in aanmerking komen om te verzekeren.’
Inmiddels zijn er al honderden monsters genomen en geanalyseerd van verschillende typen pv-panelen met uiteenlopende faalmechanismen. De resultaten zullen dit jaar worden gepresenteerd op internationale congressen. Theelen: ‘Het volledige potentieel van deze techniek is nog niet bereikt en zal zich pas ontwikkelen als door de steeds veranderende pv-producten en -toepassingen nieuwe soorten defecten uit het veld tot ons komen en nieuwe betrouwbaarheidsvragen onder onze aandacht worden gebracht. Daarbij richten wij ons vooral op de degradatie van cigs, maar onze onderzoeken zijn uiteindelijk ook zeer bruikbaar voor andere pv-technieken.’

Tekst: ing. M. de Wit – Blok, freelance journaliste.
Fotografie: Industrie