Amikor konferenciákat és iparági szereplőket keresünk fel, gyakran meglepődünk azon, hogy számos a PERC gyártás területén dolgozó, felelősségteljes tudós még nem is hallott azokról a súlyos degradációs hatásokról, amelyek a PERC eszközökön jelentkezhetnek, különösen, ha a fény és magas hőmérséklet-indukált lebomlásról (Light and elevated Temperature Induced Degradation, LeTID) van szó.
A szolár (fotovoltaikus) napelemek világszerte hamarosan a legalacsonyabb költségű elektromos energiaforrássá válnak. Már elérték a 2 cent/kWó körüli teljes élettartamra vetített költséget (LCOE), az EDF/Masdar által Szaúd-Arábiában kiadott egyik ajánlat volt az első, amely a 2 amerikai dollár cent/kWó [1] alá ment.
A következő években el fogjuk érni az 1 amerikai dollár cent/kWó körüli és az alatti értékeket – és akkor mindenki számára elérhetővé válik az elektromos áram. Az eredmény elérése részben a kiemelkedő hatékonyságú, de alacsony költségű új technológiáknak köszönhető, például a PERC, a PERT és a bifaciális moduloknak, amelyeket egyszerű napkövető rendszerekben telepítettek, például vízszintes tengelyű napkövető rendszerrel (Horizontal Single Axis Tracking, HSAT).
Azonban sok napelemcella- és modulgyártó szenved napjainkban. Az ázsiai székhelyű gyártók a túlzott mennyiségű kapacitás miatt már a második hatalmas válság felé tartanak, az elsőt 2011-ben tapasztalták meg. Ez a második visszaesés a meglévő gyártósorok PERC technológiára átállításának tulajdonítható.
2017-ben a napelemcellák és modulok gyártási kapacitása körülbelül 125 GW-ot tett ki, ebből 35 GW épült a PERC technológiára. 2018 végére a teljes gyártási kapacitás várhatóan eléri a 160-170 GW szintet, amelyből a PERC 60-70 GW-ot képvisel [2].
Azonban a fotovoltaikus napelemek iránti mérséklődő igény 2018-ban várhatóan 100GWp alatt marad[3]. Ez azt jelenti, hogy sok gyártósor kihasználatlan maradhat és sok GW-nyi modul a raktárkészletbe kerül.
Ahogy már említettük, új technológiák szükségesek a teljes élettartamra vetített költség (Levelised Cost Of Energy, LCOE) további csökkentéséhez. Mégis olyan gyorsan következett be a PERC technológiára való átállás, hogy sok PERC gyártónak a termék minőségére kellene összpontosítania.
A PERC egy kiforrott technológia, amely viszonylag egyszerű folyamatot takar, és ezért megmutatkoznak a teljes üzemi költség (Cost of Ownership, CoO) előnyei. (2018 márciusában) a LONGi a PERC technológia és a gyűjtősín nélküli, fémérintkezős kialakítás segítségével elérte a rekordnak számító 23,6%-os hatékonyságot, ezt később (2018 májusában) a JinkoSolar szárnyalta túl 23,95%-kal.
A hatékonysági rekordok látványosak, de ami igazán számít, az az energiaátalakítás átlagos hatékonysága a tömegtermelésnél, és a folyamat stabilitása az idők folyamán. Az energiaátalakítás átlagos hatékonysága a legfontosabb piaci szereplők, például a Szilícium Modul Szuperliga (Silicon Module Super League, SMSL) tagjai (Hanwha-Q cells, JA Solar, LONGi, Trina Solar, JinkoSolar és Canadian Solar) esetében 21,5% és 22% közé esnek, amelyek kiemelkedőnek számítanak a szabványos Al-BSF technológiához képest, amely évtizedekig uralta a piacot, és legmagasabb átlagos hatékonyság alig haladta meg a 20%-ot.
A degradációt illetően nem vagyunk biztosak abban, hogy az összes PERC gyártó megértette az előtte álló kihívást, hogy kezelni kell az összes olyan degradációs hatással, amely ezeknél az eszközöknél felmerülhet. Ez a blog pedig erről szól:
A PERC napelem celláknál fellépő degradációs mechanizmusok kezelésének megértése Amikor konferenciákat és iparági szereplőket keresünk fel, gyakran meglepődünk azon, hogy számos a PERC gyártás területén dolgozó, felelősségteljes tudós még nem is hallott azokról a súlyos degradációs hatásokról, amelyek a PERC eszközökön jelentkezhetnek, különösen, ha LeTID jelenségről van szó.
Még a „4. PERC napelemcella és bifaciális modul fórumon 2018 (4th PERC Solar Cell and Bifacial Module Forum 2018)” [4] sem igazán foglalkoztak a LeTID jelenséggel.
A LeTID említésére a szokásos válasz: „LeTID? Nem, – nálunk nincs fény által kiváltott degradáció (Light Induced Degradation, LID): mi stabilizációt végzünk” vagy néhányan – a jobban tájékozottak – ezt mondják: „A LeTID csak a multikristályos (mc-Si) PERC-et érinti – mi pedig monokristályos PERC cellákat gyártunk”.
Egyik állítás sem felel meg a valóságnak. Bár a LeTID jelenséget először a multikristályos (mc-Si) PERC celláknál észlelték [5], hatása ugyanúgy látható és pusztító a monokristályos PERC modulok esetében is [6]; a LeTID degradáció felgyorsulását követően pár héten belül esetenként a termelés 10%-át meghaladó rendkívül súlyos visszaesés is észlelhető.
Emiatt a Berlini Fotovoltaikus Intézet (Photovoltaics Institute Berlin, PI Berlin) folyamatosan vizsgálja a LeTID megjelenését a piacon kapható számos PERC modulnál. A vizsgálaton átesett (mostanáig körülbelül 10) különböző modul többségénél a felgyorsult degradációnak történő kitettség után 6 héttel az áramtermelés 5%-ának megfelelő vagy annál is nagyobb mértékben következett be degradáció, és a degradációs görbén nem látszottak a telítődés jelei.
Ráadásul hallottunk sok olyan „megvásárolható” PERC napelem rendszerről, amelynek moduljai esetében 2-3 évnyi üzemelést követően a degradáció mértéke 20% közeli volt, ami egyszerűen tragédia.
Az 1. ábra (lent) mutatja be a PI Berlin által mért tipikus degradációs görbét, amelyet a német „modul-vizsgálatok” műhely keretében mutattak be, ezen kizárólag a LeTID jelenséggel és a bifaciális modulokkal foglalkoztak, az esemény szervezője a PHOTON volt, és a müncheni kiállításon 2018 júniusában tartották [7].
Modulok paramétereinek hatása a kereskedelemben kapható mono PERC modulok LeTID vizsgálataira, a PI Berlin 6 héten át folytatott mérései alapján. Kép: PI Berlin
Világosan látható, hogy 6 hét elteltével 75°C és beinjektált 0,5A áram mellett ez a kereskedelmi forgalomban kapható mono PERC modul 5%-ot vesztett áramtermelő képességéből, és hogy a degradáció tovább folytatódik. Mivel van pár olyan csoport, amelyek szerint az nPERT eszközöknél is felmerülhetnek hasonló problémák [8].
Mi jelenleg gyorsított LeTID degradációs kísérleteket végzünk saját BiSoN (nPERT), MoSoN (nPERT hátul csatlakoztatott) és ZEBRA (IBC) celláink bevonásával, mostanáig nem tapasztaltuk komolyabb degradáció fellépését.
PERC napelemcellák és modulok lehetséges degradációs mechanizmusai Mi történik ilyenkor a PERC eszközön belül? Miért folytatódik a PERC napelemcellák degradációja annak ellenére, hogy az emberek azt hiszik, megértették a bór-oxigén (BO) kialakulását és hogy még szabályozni is képesek ezt a hatást? Az összetettebb eszközök degradációs mechanizmusa bonyolultabbá válik, mint az egyszerű Al-BSF (Back Surface Field) celláké.
Nem csupán az eltérő hatékonysági szinttel kell számolni – de azzal is, hogy bonyolultabb a szerkezetek felépítése, több lehetőség nyílik a degradációra, és így a degradációk jobban láthatóvá válnak. A PERC esetében biztos, hogy a hátsó felszín dielektromos közege egyrészt fokozza a hatékonyságot, de gondot is okozhat, ha nem megfelelően adaptálják a legmagasabb kezdeti hatékonysági fokhoz és az eszköz hosszú távú stabilitásához. Az alábbi 2. ábra mutatja a PERC eszköz tipikus keresztmetszetét, és összefoglalja a mostanáig megismert 3 legsúlyosabb degradációs mechanizmust.
A PERC modulok 3 fő degradációs mechanizmusa a LeTID során: 1) fény által kiváltott degradáció (LID), 2) HID és 3) a hátsó felszín dielektromos közegénél a passziválás megszűnése. Kép: ISC Konstanz
LID: A jól ismert és leginkább megértett degradációs folyamat –a fény által kiváltott degradáció (Light Induced Degradation, LID) – bór-oxigén (boron-oxygen, BO) komplexeklétrejöttén alapul [9]. Ez részben kiküszöbölhető néhány intézkedéssel, amelyeket az 1. táblázat ismertet.
HID: A hidrogén által kiváltott degradációt (Hydrogen Induced Degradation, HID) a LeTID vizsgálatok során először multikristályos (mc-Si) PERC eszközökben fedezték fel a jelentésben foglaltak szerint[5], és beszámoltak előfordulásáról a mono-PERC eszközök esetében is [6]. Ma annyit tudunk, hogy ez a degradáció is az eszközön belüli túl magas hidrogénkoncentráción alapszik, amelyet szintén gyönyörűen összefoglal a néhai Stuart Wenham professzor vödör elmélet analógiája [10]
Ez a helyzet áll elő, mivel a hátsó oldal passziválását a legtöbb esetben egy (az elülső oldalhoz képest) viszonylag vastag, hidrogénben gazdag dielektromos közeggel valósítják meg. A hő hatására a szilícium tömbbe kijuttatott hidrogén gyenge kötést hoz létre, passziválja a hiba állapotokat. Hőmérséklet és megvilágítás hatására ezek a kötések könnyen felszakadnak, így gyorsabb ütemben szabadítják fel a gyenge kötéssel kapcsolódó hidrogéneket, és így a degradáció irányába hatnak.
Idővel a rendszer eléri a telítettség állapotát, amelyet egy ellenirányú folyamat, az aktiválás követ, amelynek során a felszabadult hidrogén elkezd újra stabil kötésbe lépni, amelyeket nem érintettek a LeTID vizsgálat során fennálló körülmények. A hidrogén által kiváltott degradációhoz hasonlóan az 1. táblázat foglalja össze a minimalizálás érdekében megtehető intézkedéseket.
Passziválással végbemenő degradáció tiszta szilícium-lapkán: Nagyon nehéz megállapítani a degradáció fő okát. Nemrégiben A. Herguth és a Konstanz-i Egyetemen működő csapata felfedezte, hogy a PERC napelemcellák megfigyelt degradációja részben szintén a hátsó oldali passziválás megszűnésén alapszik [11]. Ezt a degradációs hatást már sikerült megfigyelni az IBC napelem cellák elülső oldalán.
A hatás kiküszöböléséhez az IBC cellák esetében legalább egy sekély FSF (elülső felszíni mezőre, vagyis egy foszfor diffúzióval jellemezhető rétegre volt szükség az n-típusú mono cellák) esetében.
Az alábbi 3a és 3b ábrák mutatják a vizsgálati mintákat a különböző helyeken, ahol részben a multikristályos szilícium PERC modulokon (felül), másrészt a mono modulokon (alul) látható a jelentős degradáció fellépése.
Az alábbi 3a és 3b ábrák mutatják a vizsgálati mintákat a különböző helyeken, ahol részben a multikristályos szilícium PERC modulokon (felül), másrészt a mono modulokon (alul) látható a jelentős degradáció fellépése. Kép: eternal sun
LeTID vizsgálat az eternal sun-nál (bal) [12] és a Frauhofer CSP-nél a multikristályos és a monokristályos PERC modulok (jobb) esetében [13]. Ne feledjük, hogy a Fraunhofer CSP által folytatott vizsgálatnál az összes modult stabilizálták a LID vonatkozásában; ennek megfelelően a bór-oxigén (boron-oxygen, BO) komplexek kialakulása miatt fellépő degradáció nem jelenik meg a jobb oldali grafikon Pmpp csökkenésében. Kép: Fraunhofer CSP
A LeTID vizsgálat során a három (vagy két) leírt hatás valószínűleg aktiválódik, és részletesebb vizsgálatot kell végezni az összes ilyen problémával küzdő modul bevonásával az adott eszközre nézve legkritikusabb degradációs mechanizmus megállapításához. Amikor ez megállapításra került, akkor lehet vizsgálni a degradáció csökkentését szolgáló megoldásokat.
Lehetséges megoldások a PERC napelemcellák és modulok degradációs mechanizmusaira Az előzőekben leírtak szerint a PERC napelemcellák és modulok degradációja rendkívül összetett, megértésük nem könnyű és nem csak egy degradációs mechanizmusra vezethető vissza. Ezért láthatóan a PERC modulokat is jobban érintik a magasabb hőmérsékletek, a TÜV most építi be ezt a vizsgálatot minőségellenőrzési eljárásába. Az (alábbiakban látható) 1. táblázat foglalja össze a degradáció legsúlyosabb hatásait és az ezek csökkentését célzó lehetséges megoldásokat, hogy megfeleljenek a TÜV vizsgálatokon.
A PERC degradációs hatások és a lehetséges megoldások összefoglalása. Kép: ISC Konstanz
Persze még ott van a feszültség által indukált degradáció (Potential Induced Degradation, PID) amelyet ellenőrzés alatt kell tartani, de ez minden modult érint a nátrium és más szennyeződések az üvegből a cella felszíne felé tartó vándorlása miatt, amely mellékáramkört hoz létre vagy a passziválás megszűnését okozza [14].
Ez a degradáció minimálisra csökkenthető a cella, a modul és a rendszer szintjén, és általában modulszinten gondoskodnak erről a kiváló minőségű tokozó anyagok kiválasztásával, ilyen például a megfelelő etilén-vinil-acetát kopolimer (EVA), vagy akár áttérnek a poliolefinből készült rétegekre, amelyek a legtöbb két üvegrétegből álló modulnál megtalálhatók.
Reméljük, hogy sikerült megfelelő mértékű tudatosságot ébreszteni az eléggé új degradációs mechanizmusok kapcsán, amely érinti a a multikristályos szilícium cellákat ugyanúgy, mint a monokristályos PERC napelem cellákat.
E bloggal szeretnénk ösztönözni a PERC napelemcellák és modulok gyártóit, hogy tegyék alkalmasabbá eszközeiket az alacsonyabb fokú degradáció elérésére; továbbá figyelmeztetni szeretnénk a tetőn kisebb telepítéseket végzőket valamint a nagy ipari méretű tervezéssel, közbeszerzéssel és építéssel foglalkozókat (EPC) a kiválasztás fontosságára (a kiválasztott modulok megfelelő vizsgálatainak elvégzésére) saját fotovoltaikus rendszereik számára.
A legfontosabb szereplők – vagyis egyrészt a cella- és modulgyártók, másrészt a rendszerek telepítőinek – tisztánlátása fontos annak érdekében, hogy elkerülhető legyen a drámai mértékben alulteljesítő rendszerek miatt indított reklamációk áradata, és a napelemek egészének szavahihetőségére kifejtett súlyosan negatív hatás.
Jó szerencsét, válasszanak bölcsen és folytassák a szén-dioxid-kibocsátásunk csökkentését, hogy megmenthessük csodálatos kék bolygónkat. Teljes telepített kapacitásunk hamarosan eléri az 1 TWp szintet. Reméljük, hogy minél kevesebb degradációs problémával.
Szerzők többek között: Radovan Kopecek, Joris Libal és Lejo J. Koduvelikulathu a ISC-Konstanz képviseletében
Forrás: PV-Tech