PID-Testverfahren für Solarzellen und -module

Prüfung

© Fraunhofer CSP

Thermografieaufnahme eines Solarmoduls mit PID-Defekt.

Um den enormen Aufwand und den Ressourcenverbrauch für PID-Tests zu verringern, wurde 2013 am Fraunhofer CSP ein einfach anzuwendendes PID-Testverfahren für Silizium-Solarzellen entwickelt. Das Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es ohne die kostenintensive Herstellung kompletter Solarmodule und deren Prüfung in großen, dafür eigens betriebenen Klimakammern auskommt. Stattdessen werden im PID-Zellentest einzelne, unverkapselte Solarzellen geprüft und dabei genau den Bedingungen ausgesetzt, unter denen PID abläuft: erhöhte Temperaturen sowie ein hohes elektrisches Potential zwischen Glasoberfläche und Solarzelle. Dafür wird auf der Solarzelle der Schichtstapelaufbau eines Solarmoduls nachgebildet. So kann der PID-Effekt auf kleinerer Fläche provoziert und eventuell auftretende Degradation in Echtzeit gemessen werden. Auch die Auswirkung verschiedener Polymer-Verkapselungsfolien oder Gläser auf die PID-Resistenz von Solarmodulen lässt sich testen.

Ursachenanalyse

© Fraunhofer CSP

Transmissionselektronenmikroskopische Charakterisierung eines PID-Shunts im Querschnitt.

© Fraunhofer CSP

Mikoskopische Aufnahme der Lichtinduzierten Stromverteilung (µLBIC) zeigt nach PID-Test eine lokale Rekombinationsaktivität auf der Rückseite einer Bifazial-Zelle.

PID durch Kurzschlüsse (PID-s)

 

Der physikalische Mechanismus der zum Kurzschluss von Solarzellen führenden Potenzial-induzierten Degradation (PID-s) war lange Zeit unklar. Am Fraunhofer CSP gelang es, auf Basis mikrostruktureller Untersuchungen auf Zellebene den Defektmechanismus aufzuklären. Es zeigte sich: Durch Natrium verursachte winzige Stapelfehler auf der nanoskopischen Ebene sorgen dafür, dass in großen Solarmodulen Leistungsverluste bis hin zum Totalausfall auftreten können. Darauf aufbauend wurde ein physikalisches Modell für den Kurzschlussmechanismus in PID-abhängigen Solarzellen entwickelt.

 

 

 

 

PID durch De-Passivierung (PID-p)  

 

Untersuchungen haben ergeben, dass bifiaziale Siliziumsolarzellen auf ihrer Rückseite unter Spannungsbelastung PID entwickeln, die mit einer starken Herabsetzung der Oberflächenpassivierung einher geht (PID-p). Erste mikrostrukturelle Untersuchungen lassen auf lokale rekombinationsaktive Defekte schließen. Die Aufklärung des Defektmechanismus ist Gegenstand aktueller und geplanter Untersuchungen. Unter folgendem Link sind bisherige Ergebnisse zusammengefasst: Bifa-PID Testing.pdf.

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 27, 1 (2012).
  •  J. Bauer, V. Naumann, S. Großer, C. Hagendorf, M. Schütze, O. Breitenstein, On the mechanism of potential-induced degradation in crystalline silicon solar cells, physica status solidi - Rapid Research Letters (RRL)  6 (8), 331, 2012.
  • V. Naumann et al., Microstructural Analysis of Crystal Defects Leading to Potential-Induced Degradation (PID) of Si Solar Cells, Energy Procedia 33, 76 (2013).
  • V. Naumann, D. Lausch, A. Graff, M. Werner, S. Swatek, J. Bauer, A. Hähnel, O. Breitenstein, S. Großer, J. Bagdahn, C. Hagendorf, The role of stacking faults for the formation of shunts during potential-induced degradation of crystalline Si solar cells, pss (RRL) 7 (5), 315, (2013).
  • V. Naumann, D. Lausch, A. Hähnel, J. Bauer, O. Breitenstein, A. Graff, M. Werner, S. Swatek, S. Großer, J. Bagdahn, C. Hagendorf, Explanation of potential-induced degradation of the shunting type by Na decoration of stacking faults in Si solar cells, Sol. Energ. Mat. Sol. Cells 120, 383 (2014).
  • D. Lausch, V. Naumann, A. Graff, A. Hähnel, O. Breitenstein, C. Hagendorf, J. Bagdahn, Sodium Outdiffusion from Stacking Faults as Root Cause for the Recovery Process of Potential-Induced Degradation (PID), Energy Procedia 55, 486-493 (2014).
  • V. Naumann, T. Geppert, S. Großer, D. Wichmann, H.-J. Krokoszinski, M. Werner, C. Hagendorf, Potential-Induced Degradation at Interdigitated Back Contact Solar Cells, Energy Procedia 55, 498-503 (2014).
  • V. Naumann, D. Lausch, A. Hähnel, O. Breitenstein, C. Hagendorf, Nanoscopic studies of 2D-extended defects in silicon that cause shunting of Si-solar cells, physica status solidi (c) 12 (8), 1103–1107, 2015.
  • V. Naumann, D. Lausch, C. Hagendorf, Sodium decoration of PID-s crystal defects after corona induced degradation of bare silicon solar cells, Energy Procedia 77, 397-401 (2015).
  • V. Naumann, C. Brzuska, M. Werner, S. Großer, C. Hagendorf, Investigations on the formation of stacking fault-like PID-shunts, Energy Procedia 92, 569-575 (2016).
  • W. Luo, Y. S. Khoo, P. Hacke, V. Naumann, D. Lausch, S.P. Harvey, J. P. Singh, J. Chai, Y. Wang, A. G. Aberle and S. Ramakrishna, Potential-induced Degradation in Photovoltaic Modules: A Critical Review,  Energy Environ. Sci. 10, 43-68 (2017). DOI: 10.1039/C6EE02271E
  • V. Naumann, O. Breitenstein, J. Bauer, C. Hagendorf, Search for Microstructural Defects as Nuclei for PID-Shunts in Silicon Solar Cells, Proceedings of 44th IEEE PVSC, Washington, DC (USA), in press (2017).