L`integrazione delle celle solari sui pannelli e i criteri di protezione
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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 AEI Giornata di Studio 2/12/2004 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 AEI Giornata di Studio 2/12/2004 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 AEI Giornata di Studio 2/12/2004 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 AEI Giornata di Studio 2/12/2004 6 Connector Integrated Cells (CIC) Loops di espansione planari Stress reliefs CESI AEI Giornata di Studio 2/12/2004 7 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 AEI Giornata di Studio 2/12/2004 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 AEI Giornata di Studio 2/12/2004 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 AEI Giornata di Studio 2/12/2004 10 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 AEI Giornata di Studio 2/12/2004 11 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 AEI Giornata di Studio 2/12/2004 12 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 AEI Giornata di Studio 2/12/2004 13 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 AEI Giornata di Studio 2/12/2004 14 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 AEI Giornata di Studio 2/12/2004 15 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 AEI Giornata di Studio 2/12/2004 16 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 AEI Giornata di Studio 2/12/2004 17 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 AEI Giornata di Studio 2/12/2004 18 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 AEI Giornata di Studio 2/12/2004 Emcore 19 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 AEI Giornata di Studio 2/12/2004 20 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 AEI Giornata di Studio 2/12/2004 Off Iph Off Iph 21 1 / 2
