L`integrazione delle celle solari sui pannelli e i criteri di protezione

L’integrazione delle celle solari
sui pannelli e
i criteri di protezione
Giuseppe Gabetta
CESI
Sommario
• L’integrazione dei
pannelli
• Criteri di protezione
delle celle solari
CESI
AEI Giornata di Studio 2/12/2004
2
La normativa di riferimento
CESI
ECSS-E-20-08
Photovoltaic assemblies and components
ECSS-E-20A
Space engineering electrical and electronics
ECSS-Q-70-01
Space product assurance- cleanliness and
contamination control
ECSS-Q-70-08
The manual soldering of high reliability
electrical connections
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3
Pannelli solari
•
•
La cella solare per essere impiegata nello spazio va protetta e montata
su un substrato (honeycomb) che costituisce il pannello solare.
Le aziende che effettuano questo processo in genere non coincidono
con i costruttori di celle.
La
Larealizzazione
realizzazionedidipannelli
pannellisolari
solari
con
concelle
cellealalGaAs
GaAseeSi
Siha
ha
Galileo
GalileoAvionica
Avionica(Mi)
(Mi)tra
trai i
leader
leaderininEuropa
Europadel
delsettore
settore
Altri operatori:
Astrium (D)
Spectrolab (USA)
Kvant (Ru)
SSTL (GB)
Emcore (USA)
CESI
vetrino
connettore
cella
pannello
Rosetta
ATV
Cosmo Skymed
oltre alla produzione per minisatelliti
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4
Il processo di integrazione dei pannelli
Saldatura o
puntatura
Celle nude
Vestizione delle celle
CiCs
Interconnettori
Vetrini
Coverglassing
Laydown dei pannelli
SCA
SCA
Misura SCA e
formazione
delle stringhe
Cavi e altri
componenti
Saldatura o
puntatura delle stringhe
Incollaggio, collegamenti
e test finali
Pannelli
CESI
Stesura della resina
di incollaggio
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5
Tecniche di saldatura
•
Saldatura a resistenza dei contatti con apporto di
materiale (Reflow soldering)
– leghe a base di Sn (tipica: 62Sn/36Pb/2Ag)
– riscaldamento con impulso
–necessità di controllare la quantità di pasta saldante
–versatilità
•
Puntatura ad elettrodi paralleli o ad ultrasuoni (Parallel
gap welding/ultrasonic welding)
–non c’è apporto di materiale
–controllo preciso della forza e dell’impulso di saldatura
–Interconnettori con placcatura Au per UW
CESI
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6
Connector Integrated Cells (CIC)
Loops di espansione planari
Stress reliefs
CESI
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Il “Coverglassing”
Il vetrino protegge le celle solari da impatti con micrometeoriti, radiazioni UV e
sciami di protoni a bassa energia
Caratteristiche:
•Borosilicato drogato CeO2
•Coefficiente di espansione termica simile a quello
del GaAs
•Coating AR+ UV protection layer
•
Resina di incollaggio trasparentespeciale,
resistente a UV e irraggiamento e ad elevata
resistenza termomeccanica.
•
Si depositano gocce di resina sulla
superficie della cella
•
Sulle gocce è adagiato il vetrino, il cui
peso fa espandere la resina fino ad
occupare tutta la superficie della cella
CESI
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Linea automatica di
integrazione dei vetrini (Astrium)
8
Misura delle SCA e formazione delle
stringhe
•
Misura delle caratteristiche
elettriche delle SCA
•
Assegnazione di ogni SCA ad
una classe di corrente (Im o IL)
Ispezione visiva ed accettazione finale
delle SCA
-
dimensione delle inclusioni di
aria
Per ogni stringa:
-
La tensione di stringa è la somma delle
tensioni dei singoli SCA
delaminazione o discolorazione
dell’adesivo
-
La corrente di stringa è determinata dalla
cella solare con la più bassa corrente di
lavoro (IL o Im)
microcricche nella cella o nel
vetrino
-
macchie e contaminazioni
-
scheggiature
CESI
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9
Incollaggio delle stringhe
•
•
•
•
•
•
Pulitura della superficie del substrato
Stesura del Primer per favorire
l’adesione del collante
Miscelazione della resina e
degasaggio
Applicazione dell’adesivo
Rimozione degli eccessi di resina
Incollaggio delle stringhe
Caratteristiche della resina:
•
•
•
•
CESI
assenza di particolato
indurimento a temperatura ambiente (RTV)
basso degasaggio
elasticità e stabilità alle temperature operative
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Collegamenti sul pannello
Un pannello fotovoltaico oltre alle
celle solari connesse in stringa contiene
•
•
•
•
•
resistenze di bleed
cablaggi
connettori di pannello
diodi di bloccaggio e di protezione
sensori di temperatura
CESI
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Test sui pannelli
Test di Processo
•
Test di isolamento elettrico
•
peso
•
adesione delle stringhe al substrato
•
verifica della continuità sulle stringhe
Test di Qualifica
secondo la specifica ESA ECSS-E-20-08
CESI
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Dispositivi di protezione individuale per
celle al GaAs
•
Tutte le celle al GaAs (a singola e a multigiunzione) hanno un
comportamento critico in condizioni di funzionamento inverso.
•
Le singole giunzioni GaAs/Ge hanno una tensione di breakdown Vb
(-3, -10 V). Se in esse viene iniettata una corrente inversa a volte
degradano le loro prestazioni
•
Le celle a multigiunzione InGaP/GaAs/Ge hanno invece una
tensione di breakdown molto elevata (>15V) e si rompono in inversa
CESI
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Strategie per la protezione da correnti
inverse
• Celle solari a singola
giunzione
• Celle solari
multigiunzione
¸ struttura della cella e screening
¸ diodo integrale: protegge la cella
adiacente
¸ diodo integrato
¸ diodo integrale: protegge la cella
adiacente
¸ Diodo Integrato
¸ Diodo monolitico
¸ ALTRO...
CESI
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Struttura della cella e screening (SJ)
Reverse I-V curve
M Vb dipende dal livello di drogaggio della
base: più alto è il livello, minore è la Vb.
La cella è più resistente.
-12
-10
-8
-6
-4
-2
0
0
-100
-200
current (mA)
M Screening delle celle (@- 1 Isc, due volte).
Il burn-in a cui le celle sono sottoposte
permette di identificare le celle “deboli”
(circa il 5% della produzione)
-300
-400
standard
-500
Low doping
-600
voltage (V)
CESI
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Funzionamento del diodo integrale
I-V OF CELL 2 (NO BY-PASS DIODE)
I-V OF BYPASS DIODE
500
400
200
Current (mA)
Current (mA)
300
100
0
-8
-6
-4
-2
-100
0
2
-200
-8
-6
-4
-2
-300
-400
Integral by-pass diode
-500
Voltage (V)
Voltage (V)
1
500
400
300
200
100
0
-100 0
-200
-300
-400
-500
2
I-V OF CELL 2 WITH BYPASS DIODE
500
Current (mA)
400
300
200
100
0
-3
-2
-1
-100 0
1
2
3
-200
-300
-400
-500
Voltage (V)
CESI
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2
Realizzazione del diodo integrale
•
Separazione meccanica del diodo
– facile ed economico
– vincoli geometrici
•
Mesa etch
– è necessario un secondo processo
fotolito
– minori rischi di danneggiamento della
giunzione sul germanio (critico per
TJ)
Svantaggi:
Vantaggi:
se il diodo non funziona, la cella
va rifiutata
facile ed economico, serve
solo 1 interconnettore
la perdita di tensione di stringa è
elevata (-3.5 V)
CESI
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Il diodo ZENER
Reverse I-V curve
Il bordo della struttura
epitassiale può funzionare come
diodo Zener in parallelo alla
cella:
–
–
-10
-8
-6
-4
-2
0
0
-100
più bassa Vb
la corrente inversa fluisce nel
diodo zener
-200
Current (mA)
•
-300
-400
No
edge
-500
edge
zener
-600
Voltage (V)
CESI
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Il diodo integrato
•
•
Un diodo esterno è saldato ad ogni cella solare.
Il diodo può essere al Silicio o al GaAs (in funzione della missione)
Versione Tecstar
CESI
Spectrolab, recesso nel retro,
contatto avvolgente
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Emcore
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Diodo di bypass monolitico
• Il diodo è cresciuto mediante epitassia sulla struttura della
cella solare e collegato ad essa durante il processo di
realizzazione dei contatti della cella solare.
Contatto
frontale cella
ARC Contatto
metallico
n+- GaAs
Struttura
della cella solare
Giunzione Ge
CESI
p - GaAs
n - GaAs
Contatto
diodo
n+- GaAs
Diodo monolitico
contatto p
Cella
contatto n
Cella
contatto n
Struttura
della cella solare
Giunzione Ge
Substrato Ge- p
Contatto posteriore
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La protezione delle celle secondo CESI
(brevetto)
Off
R1
Vc
cell
Vg
R2
Source
Gate
Drain
Iph
shunt
On
Iph
Quando la cella solare è illuminata, la tensione di gate Vg
(comandata dalla tensione ai capi della cella solare Vc) svuota
il canale che non conduce.
Quando una cella in una stringa è oscurata, la tensione di gate
sul FET che la protegge decresce. Il canale entra in conduzione
offrendo una strada alternativa alla corrente fotogenerata dalla
stringa.
CESI
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Off
Iph
Off
Iph
21
1
/
2