Introduzione

“O&M&P”:
OPERATION & MAINTENANCE & PERFORMANCE
DI IMPIANTI FOTOVOLTAICI
Fiera Milano | 9 maggio 2014
Analisi del degrado delle caratteristiche dei moduli di nuova generazione
affetti dai fenomeni ‘bave di lumaca’ e ‘PID - Potential Induced Degradation’:
risultati di prove sperimentali campionarie
Dario Bertani, RSE - Ricerca Sul Sistema Energetico
Introduzione
•
Solo in Italia installati oltre 90mln di moduli FV
•
I moduli sono sottoposti a controlli di qualità (CEI EN 61215);
•
Nuove condizioni operative e nuove tecnologie costruttive hanno
causato l’insorgere di difetti sin qui sconosciuti (non riscontrabili
con l’applicazione dell’attuale metodologia di prova);
•
Attività di ricerca internazionale per sperimentare nuove
sequenze di prova
Di seguito si presenta l’esperienza di RSE nell’ambito della Ricerca
per il sistema elettrico, in collaborazione con operatori FV
italiani, riguardo a due dei fenomeni più ricorrenti:
•
Bave di lumaca (o Snail Trails)
•
PID (Potential Induced Degradation)
Bave di lumaca (Snail Trails)
Si presentano sotto forma di alterazioni cromatiche (striature scure)
sulla superficie di moduli FV in silicio cristallino;
Solitamente causate da scolorimento localizzato dei contatti in Ag;
Responsabili di oltre il 50% dei difetti estetici individuabili ad occhio
nudo;
Si manifestano da alcuni mesi ad alcuni anni a partire dall’esposizione
agli agenti atmosferici
•
•
•
•
Snail Trails: cause
•
Condizione necessaria alla formazione delle bave è la presenza di
micro-cricche all’interno delle celle;
•
Un certo quantitativo di umidità penetrata attraverso il backsheet si
diffonde verso il lato anteriore del modulo;
•
Ioni di Ag si dissolverebbero migrando verso l’EVA;
•
Tramite reazioni chimiche con composti presenti nell’EVA gli ioni Ag+
si riducono formando particelle metalliche che danno luogo
all’alterazione cromatica
S. Meyer et al., Snail trails root cause analysis and prevention. 28th EU‐PVSEC (WIP, Paris, France, 2013) Snail Trails: effetti
•
Fenomeno accelerato da incremento di
temperatura, umidità ed esposizione a UV;
•
Sviluppata sequenza di prove per indurre bave in
lab., tuttavia nessuno standard internazionale;
•
Ad oggi nessun effetto a breve termine
direttamente attribuibile alle bave di lumaca
sulle prestazioni dei moduli FV;
•
Eventuali perdite di potenza causate dalle
fratture nelle celle;
•
Osservato in alcuni moduli affetti da bave
incremento della porosità nei contatti metallici;
Conseguenze a lungo termine?
J. Berghold, et al., Electrochemical corrosion within solar panels, 27th EU‐PVSEC (WIP, Frankfurt, Germany, 2012) Snail Trails: prove sperimentali
•
Moduli in silicio policristallino (già certificati CEI EN 61215);
•
Installati nel 2010 in un comune lombardo ed affetti da Snail Trails
in modo evidente;
•
9 moduli prelevati e sottoposti nuovamente alla sequenza di
certificazione completa (CEI EN 61215)
Snail Trails: risultati prove sperimentali di RSE
Sample ID
A
B1
B2
C1
C2
D1
D2
E1
E2
Pmp
iniziale
[W]
210,7
206,5
205,6
205,8
209,2
212,0
207,1
208,0
209,6
Pmp finale
Degrado
Limite
Pass/Fail
[W]
‐
201,2
200,6
195,3
205,6
211,8
204,6
196,0
204,4
%
‐
‐2,5
‐2,2
‐5,1
‐1,7
‐0,1
‐1,2
‐5,8
‐2,5
%
‐
‐8
‐8
‐8
‐8
‐8
‐8
‐8
‐8
‐
‐
P
P
P
P
P
P
P
P
•
Degrado inferiore al limite previsto per tutti i campioni, esito prove positivo
•
Potenza massima dei moduli già ridotta prima dell’inizio dei test
•
Differenza media del -9% rispetto alla potenza di targa (230W)
Snail Trails: analisi ad elettroluminescenza
Campione B1: Pmp = 206,5W (89,5% della P nominale)
•
•
Verificata corrispondenza tra percorso Snail Trails e percorso cricche
Snail Trails: risultati prove sperimentali
•
Resistenza di isolamento misurata in ambiente
asciutto abbondantemente superiore al limite
previsto;
•
Resistenza di isolamento misurata in ambiente
umido di poco superiore a 100MΩ: presenza
correnti parassite ≥ 10μA;
•
Test più gravosi: stress termici in presenza di
elevata umidità (o esposizione a UV)
J. Berghold, et al., Electrochemical corrosion within solar panels, 27th EU‐PVSEC (WIP, Frankfurt, Germany, 2012) Sample ID Pmp iniziale Pmp finale
Degrado
Test
[W]
210,7
205,8
209,2
208,0
209,6
%
‐
‐5,1
‐1,7
‐5,8
‐2,5
‐
‐
TC+UV
TC+UV
DH
DH
A
C1
C2
E1
E2
[W]
‐
195,3
205,6
196,0
204,4
Snail Trails: conclusioni
•
Verificata corrispondenza tra il percorso delle bave e quello delle microfratture presenti all’interno delle celle FV;
•
Diminuzione Pmp inferiore al limite ipotizzato per tutti i campioni:
degrado delle proprietà elettriche ed ottiche inferiori ai limiti previsti
dalla norma;
•
I moduli con caratteristiche peggiori (potenza iniziale inferiore, maggior
n° di cricche, peggiore isolamento, ecc.) hanno mostrato un degrado più
marcato delle prestazioni in seguito alle prove 61215;
•
Analisi ad EL e misura Riso in ambiente umido si confermano le prove più
adatte per valutare l’entità del fenomeno
Sembra possibile affermare che le prestazioni a lungo termine dei
moduli non vengano consistentemente compromesse dalla presenza del
difetto in esame
PID (Potential Induced Degradation)
Fenomeno già noto in passato con il nome
di ‘polarizzazione superficiale’
limitatamente ad alcune tipologie di
moduli, quali ad esempio:
•Moduli in Si-mono ad elevata efficienza;
•Moduli in film sottile (CdTe, Si-amorfo).
Moduli tradizionali (silicio cristallino)
inizialmente ritenuti non suscettibili al
fenomeno di degrado.
R. Swanson et al., “The Surface Polarization Effect in High‐
Efficiency Silicon Solar Cells”, 15th IEEE PVSC, 2005, pp. 410‐411
Sempre maggiore n°di impianti affetti da
PID, con conseguenze anche importanti
sulla produzione energetica.
K.W. Jansen, EPV, SPIE PV, 8/2008
PID: possibili cause
Principali cause che portano al manifestarsi del PID (tutt’ora non chiarite fino
in fondo) possono essere raggruppate in differenti ‘livelli’:
•Sistema: elevato valore della tensione verso terra vista dal modulo FV
(importante soprattutto il segno);
•Modulo/cella: tipologia vetro, composizione EVA, strato anti-riflettente (ARC),
profondità emettitore. Più in generale risulta determinante la qualità
dell’isolamento elettrico del modulo.
•Ambiente: il manifestarsi del fenomeno è accelerato dall’incremento di
umidità e temperatura
AE Advanced Energy – Understanding Potential Induced Degradation
PID: effetti
Effetti irreversibili: corrosione TCO (limitatamente a moduli in film sottile)
Effetti reversibili: effetto polarizzante, accumulo di carica statica tra
superficie cella ed EVA con diverse possibili conseguenze:
•Formazione di un campo elettrico con effetto anti-passivante (aumento
perdite per ricombinazione);
•Accumulo di carica positiva causa parziale neutralizzazione dell’effetto
dopante, la diminuzione del campo elettrico a cavallo della giunzione p-n e
quindi dell’effetto fotovoltaico della cella.
SMA ‐ PID ‐ Duennschicht‐TI‐UEN114630
PID: effetti
•
Fenomeno relativamente facile da individuare, tramite analisi
ad elettroluminescenza.
J. Berghold PID and correlation with field experiences – Berlin PI; S.Pingel, Potential induced degradation of solar cells and panels
•
Effetti reversibili tramite inversione polarità.
Pingel et al. ‐ Recovery methods for PID
PID: prevenzione
Diverse possibilità per impedire l’insorgere del PID:
•A livello di sistema: messa a terra del polo negativo (non sempre possibile);
•A livello di modulo: scelta della tipologia di vetro frontale (es. vetro al quarzo),
ottimo isolamento elettrico (e/o EVA con ridotta permeabilità agli ioni);
•A livello di cella: modifiche a determinate proprietà dell’ARC o dell’emettitore,
consentono di impedire efficacemente il verificarsi del fenomeno (comportano però un
aumento dei costi di produzione e/o riduzione dell’efficienza).
Non è possibile determinare se un modulo è immune al PID a partire delle
caratteristiche elettriche e dai materiali utilizzati:
necessità di una procedura di prova riconosciuta a livello internazionale
PID: prove di suscettibilità
Norma IEC in fase di preparazione per moduli in silicio
cristallino (62804), pubblicazione attesa per fine 2014.
Perplessità riguardo alle modalità con cui incrementare
la conduttività superficiale del modulo (proposti due
metodi):
PID test
Ambiente di prova
Camera climatica
Laboratorio con T controllata
Condizioni di prova
60°C, 85% RH
25°C, <60% RH
Messa a terra della cornice metallica
Foglio di alluminio sulla superficie frontale
96h (4 giorni)
168h (7 giorni)
±1000V
±1000V
∆Pmp < 5%
∆Pmp < 5%
Collegamento elettrico Durata
Tensione applicata
Criterio Pass/Fail
PID: prove di suscettibilità, risultati di RSE
Moduli in silicio policristallino:
Sample#
PID test
First Ratio
Last Ratio
Degrado %
A
B1
‐
Camera climatica
1
0,959
‐
0,956
‐
‐0,3%
Limite % Pass/Fail
‐
‐5%
‐
P
B2
Camera climatica
0,967
0,956
‐1,1%
‐5%
P
C
‐
1
‐
‐
‐
‐
D1
Camera climatica
0,998
1,005
0,7%
‐5%
P
D2
Camera climatica
0,996
1,003
0,7%
‐5%
P
A
‐
1
‐
‐
‐
‐
E1
Al foil
0,986
0,983
‐0,3%
‐5%
P
E2
Al foil
0,988
0,983
‐0,5%
‐5%
P
Tecnologia HIT (Heterojunction with Intrinsic Thin layer)
sample#
PID test
First Ratio
Last Ratio
Degrado %
Limite % Pass/Fail
2013493
‐
1
‐
‐
‐
‐
2013494
Camera climatica
0,988
0,973
‐1,5
‐5
P
2013524
Camera climatica
0,992
0,984
‐0,8
‐5
P
PID: prove di suscettibilità, conclusioni
•
Degrado inferiore al limite previsto per tutti i
campioni: esito prove positivo
•
Risultati conseguiti non risolutivi in quanto
possono indicare che i moduli sono di buona
qualità e non sono suscettibili a PID, ma anche
che la procedura utilizzata non è in grado di
indurre efficacemente il fenomeno di degrado
(relativamente a moduli realizzati in
particolari tecnologie innovative)
P.Lechner NREL PV Module Reliability Workshop, Golden, Feb 26/27, 2013 I risultati di questi test saranno utilizzati come
riferimento nel corso di sperimentazione di
analoghe procedure su altre tipologie di
moduli, realizzati in differente tecnologia e/o
di produttori di qualità non “nota”
S. Koch, NREL PV Module Reliability Workshop, 28.02.2012 Credits
IEA PVPS Task 13
(Performance and Reliability of Photovoltaic Systems)
Report scaricabili presso:
http://www.iea-pvps.org/
Progetto EU SOPHIA
(Solar photovoltaic european research infrastructure)
Report scaricabili presso:
http://www.sophia-ri.eu/
Dario Bertani
[email protected]
Collaborations:
Questo lavoro è stato finanziato dal Fondo di Ricerca per il Sistema Elettrico nell’ambito dell’Accordo di Programma tra RSE S.p.A. ed il Ministero dello Sviluppo Economico ‐ D.G. Nucleare, Energie rinnovabili ed efficienza energetica ‐ in ottemperanza del DM, 8 marzo 2006.