Jakie są najważniejsze przyczyny degradacji modułów PV? – raport Międzynarodowej Agencji Energetycznej

• Podział ogniw fotowoltaicznych na części przy pomocy laserów stał się popularną praktyką zwiększania mocy całego modułu, ale może prowadzić do obniżania żywotności urządzenia. 
• Niezbędne do działania fotowoltaiki światło może być dla niej również szkodliwe, ale jesteśmy w stanie chronić moduły przy pomocy Galu. 
• Kontakt ogniwa PV pod wysokim napięciem i uziemionej obudowy modułu skutkuje stratami energii do gruntu. 

W lutym tego roku Międzynarodowa Agencja Energetyczna (IEA), opublikowała raport, w którym specjaliści powołani przez organizację przedstawili wyniki badań dotyczących określenia trwałości nowoczesnych modułów fotowoltaicznych w kontakcie z czynnikami przyspieszającymi degradację ogniw. Zajęto się między innymi zjawiskiem pękania ogniw, degradacji indukowanym napięciem (PID) oraz degradacją na skutek oddziaływania promieniowania UV. Każdy z tych czynników powinien zostać poznany jeszcze lepiej niż do tej pory, aby móc zapewnić wytworzenie się wysokich standardów nowych urządzeń pojawiających się na rynku. W ostatnim czasie jest to szczególnie istotne ze względu na mnogość nowoczesnych technologii wychodzących od producentów i dużą dynamikę samego rynku. 

Laserowe podcinanie ogniw fotowoltaicznych zwiększa ich moc, ale może powodować powstawanie mikropęknięć

Istnieje kilka sposobów na otrzymanie krystalicznego krzemu, które prowadzą do wytworzenia sporych sztabek krzemu. Otrzymanie ogniw fotowoltaicznych wymaga cięcia sztabek krzemowych na cienkie wafle, jak zwykło się je nazywać. Najczęściej cięcie odbywa się przy pomocy specjalnych pił drutowych, pokrytych diamentem. Otrzymane w ten sposób ogniwa można następnie poddać ponownemu cięciu na pół lub na 3 równe części. Zabieg ten stosuje się w celu zwiększenia mocy modułów PV oraz zmniejszenia strat energii elektrycznej z urządzenia. Dokonuje się tego przy pomocy cięcia laserowego, któremu przyjrzeli się specjaliści IEA. 

W opublikowanym przez agencję raporcie możemy przeczytać, że proces laserowego przecinania ogniw może prowadzić do tworzenia się mikropęknięć w rejonie sąsiadującym z przeciętym obszarem. Wykrycie mikropęknięć postawiło przed specjalistami pytanie dotyczące wytrzymałości ogniw, w których one występują. Przeprowadzono więc testy, które wykazały, że odporność ogniw na zginanie spada nawet 4-krotnie, jeżeli na ogniwie pojawią się mikropęknięcia. Obniżona odporność prowadzi do tego, że modułach fotowoltaicznych z poprzecinanymi ogniwami częściej rejestruje się ich uszkodzenie, niż w modelach stworzonych z ogniw w jednym kawałku.

Uszkodzone ogniwa wpływają na moc całego urządzenia, która spada wraz z powiększającą się liczbą niesprawnych elementów oraz rozmiarem pęknięć. Spadki mocy są rzecz jasna bardzo niepożądane w modelach, których głównym atutem jest właśnie ten parametr. Co więcej, występowanie mikropęknięć jest trudne do wykrycia po wyprodukowaniu modułu, a także ciężko zapobiec ich powstawaniu. Autorzy raportu wskazali, że choć początkowo spadki mocy są nieznaczne, tak z czasem mogą stać się zauważalne w przypadku instalacji składających się z wielu modułów. Spadki mocy można jednak minimalizować, ponieważ specjaliści wskazali, że moduły tworzone w technologii wieloprzewodowej są mniej wrażliwe na skutki mikropęknięć ogniw od starszych modeli. W modelach wieloprzewodowych ogniwa są łączone ze sobą w inny, bardziej skomplikowany niż w klasycznych modułach sposób, co w znacznym stopniu niweluje niepożądany efekt spadku mocy. 

Światło zasilające moduły fotowoltaiczne jest dla nich szkodliwe?

Choć światło jest kluczem do funkcjonowania modułów fotowoltaicznych, to może ono również przyspieszać degradację ich ogniw, która następuje pod wpływem promieniowania UV. Szczególnie narażonymi na promieniowanie okazały się moduły stworzone z krzemu monokrystalicznego oraz te wyposażone w technologię PERC, która umożliwia wykorzystywanie fal świetlnych o różnej długości do wytwarzania energii elektrycznej. Technologia PERC zwiększa więc wydajność modułu w pochmurnych warunkach.

Degradacja jest efektem wytwarzania się na ogniwach kompleksów borowo-tlenowych pod wpływem promieniowania i prowadzi do spadku mocy modułu. Co istotne, jest ona najbardziej intensywna w przeciągu kilku pierwszych godzin od wystawienia na światło słoneczne, ale z czasem jej efekty zanikają i obserwuje się nawet niewielki wzrost mocy modułu, przy czym ogniwa po procesie stają się bardziej wrażliwe na procesy degradacji wywołane innymi czynnikami. Problem ten znalazł już jednak rozwiązanie, które nadmieniono w raporcie, a jest nim domieszkowanie ogniw przy pomocy Galu zamiast Boru. 

Ogniwa fotowoltaiczne przeważnie składają się z krzemu, ale nie jest on ich jedynym elementem. Znajdziemy w nich również domieszki innych pierwiastków, takich jak na przykład Bor, który pod wpływem światła może łączyć się z tlenem, co powoduje problemy wewnątrz modułu. Na szczęście od kilku lat odchodzi się od wykorzystywania Boru, a zamiast niego ogniwa domieszkowane są Galem, który znacznie zmniejszył wrażliwość paneli fotowoltaicznych na szkodliwe działanie światła. Obecnie spadki mocy związane z degradacją świetlną są znacznie mniejsze, ale wciąż można je obserwować, ponieważ w ogniwach mogą znajdować się śladowe ilości Boru. 

Jeżeli do światła dołączymy jeszcze wysoką temperaturę ogniwa, to pojawi się jeszcze jeden problem związany z degradacją ogniw, tym razem dotyczący wodoru. Długotrwała ekspozycja na światło i wysokie temperatury prowadzi do wszczęcia procesu dyfuzji wodoru z powierzchni ogniwa, a więc do samorzutnego rozprzestrzeniania się tego pierwiastka. Na skutek tego procesu moc modułu zmniejsza się, ale co istotne, to po obniżeniu temperatury i zmniejszeniu nasłonecznienia ogniwo odzyskuje swoją efektywność. Mimo tego wielokrotne zachodzenie procesu może prowadzić w dłuższej perspektywie do trwałego spadku mocy modułu. Procesowi można jednak przeciwdziałać, a specjaliści podają na to kilka sposobów. Po pierwsze wspomniane już domieszkowanie Galem zamiast Boru zwiększa minimalizuje szanse wystąpienia efektu. Dodatkowo stosowanie cieńszych wafli krzemowych wraz z wykorzystaniem technologii adaptacji ogniw do temperatury pracy zapobiega dyfuzji wodoru. Autorzy raportu wskazują także, że testy wykazały wysoką odporność modułów N-type TOPCon na degradację wywołaną światłem i temperaturą. Powodem jest stosowanie w nich krzemu domieszkowanego fosforem, który zwiększa odporność ogniw podobnie jak Gal. 

Część energii idzie do gruntu – straty wywołane degradacją PID

Budowa modułu fotowoltaicznego polega w uproszczeniu na umieszczeniu ogniw fotowoltaicznych w metalowej ramie, a następniu przykryciu ich cienką szybą, w celu odizolowania ich od czynników zewnętrznych. W konstrukcji tej ogniwa są elementami, na których w trakcie pracy pojawia się wysokie napięcie, natomiast na ramie i szybie tego napięcia nie ma, ponieważ rama jest uziemiona, a szyba jest z nią połączona. Tak musi być ze względów bezpieczeństwa, aby nikt nie był narażony na kontakt z elementami znajdującymi się pod napięciem. Problem w tym, że duża różnica napięć między poszczególnymi elementami modułu może prowadzić do powstawania różnicy potencjałów między ogniwami a szybą i ramą, co z kolei wiąże się z przepływem energii elektrycznej przez te elementy. Dzięki uziemieniu nie jest to zjawisko groźne, ale mimo wszystko niepożądane ze względu na straty energii z instalacji do gruntu. Tego typu proces nazywa się degradacją indukowanym napięciem (PID), które było kolejnym aspektem, jaki badali naukowcy z IEA. 

Specjaliści z agencji stwierdzają w raporcie, że degradacja PID może przyjmować różne formy. Pierwszą z nich jest korozja PID, która polega na zachodzeniu reakcji elektrochemicznych na powierzchni ogniw. Przykładowo może dochodzić do dysocjacji, a więc do rozpadu pierwiastków tworzących ogniwa na mniejsze atomy. Innymi reakcjami elektrochemicznymi mogą być jeszcze procesy związane z delaminacją PID, która polega na wytwarzaniu się substancji gazowych na powierzchni ogniw. Substancje te mogą sprawić, że dojdzie do rozwarstwienia się specjalnej termoplastycznej folii izolacyjnej, która znajduje się pomiędzy ogniwami a szybą modułu. Penetracja PID jest z kolei procesem, w którym jony sodu lub innego pierwiastka migrują do obwodu ogniwa, penetrując dielektryk pasywujący (izolację elektryczną okablowania obwodu) i osadzając się następnie na powierzchni krzemu tworzącego ogniwa, co prowadzi do obniżenia napięcia w module. Podobnym procesem, który również prowadzi do spadków napięcia modułu, jest polaryzacja PID powodująca występowanie ruchu ładunków do lub z dielektrycznych warstw pasywacyjnych. Ostatecznie możemy wyróżnić jeszcze PID-shunting, a więc proces migrowania jonów poszczególnych pierwiastków ze szkła w module lub wspomnianej już folii izolującej do powierzchni ogniwa fotowoltaicznego, gdzie następuje rozprzestrzenianie się ich. Skutkuje to rekombinacją złącz ogniw, a więc procesem wywołującym straty energii z ogniwa. 

Autorzy raportu stwierdzają na szczęście, że w przypadku nowoczesnych modułów PV jedynie polaryzacja PID może stanowić istotny problem, zachodzący częściej niż tylko w ekstremalnych przypadkach. Wciąż jednak polaryzacja PID zachodzi rzadko, a specjaliści z IEA prowadzą badania mające na celu poznanie dokładnych przyczyn zachodzenia tego efektu. Dotychczasowe testy wskazały jakie metody będą skuteczne w kontekście znalezienia przyczyny tego typu degradacji PID. Otrzymane wyniki pomogą również w opracowaniu standardów metod testowania nowych modeli modułów PV wchodzących na rynek. Ich implementacja powinna przyczynić się do zwiększenia żywotności i niezawodności modułów fotowoltaicznych.

Źródła: IEA-PVPS-T13-30-2025-REPORT-Degradation-and-Failure ,revoltenergy.eu, maysunsolar.pl, pv-tech.org