PID-Testverfahren für Solarzellen und -module

Prüfung

Thermografieaufnahme PID-Defekt — © Fraunhofer CSP
Thermografieaufnahme eines Solarmoduls mit PID-Defekt.

Bifaziale PERC-Solarzelle — © Fraunhofer CSP
µLBIC-Aufnahme einer bifazialen PERC-Solarzelle mit Rückseiten PID-Effekten.

Standardisierter PID-Schnelltest

Um den enormen Aufwand und den Ressourcenverbrauch für PID-Tests zu verringern, wurde 2013 am Fraunhofer CSP ein einfach anzuwendendes PID-Testverfahren für Silizium-Solarzellen entwickelt. Das Verfahren zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass es ohne die kostenintensive Herstellung kompletter Solarmodule und deren Prüfung in großen, dafür eigens betriebenen Klimakammern auskommt. Stattdessen werden im PID-Zellentest einzelne, unverkapselte Solarzellen geprüft und dabei genau den Bedingungen ausgesetzt, unter denen PID abläuft: erhöhte Temperaturen sowie ein hohes elektrisches Potential zwischen Glasoberfläche und Solarzelle. Dafür wird auf der Solarzelle der Schichtstapelaufbau eines Solarmoduls nachgebildet. So kann der PID-Effekt auf kleinerer Fläche provoziert und eventuell auftretende Degradation in Echtzeit gemessen werden. Auch die Auswirkung verschiedener Polymer-Verkapselungsfolien oder Gläser auf die PID-Resistenz von Solarmodulen lässt sich testen.

PID-Untersuchung für bifaziale Solarzellen

Bifaziale Solarzellen sind eine vielversprechende Technologie zur weiteren Reduktion der levelized cost of electricity (LCOE). Allerdings können bifaziale Solarzellen auch an ihrer Rückseite von PID Effekten betroffen sein. Aktuell werden drei PID-Mechanismen hinsichtlich ihrer Degradationsursache unterschieden. 1) PID vom Shunting-Typ, PID-s, verursacht einen Kurzschluss (s=shunting) des pn-Übergangs. 2) PID-p (De-Polarisations-PID) führt zu einer Kompensierung der Feldeffektpassivierung. 3) PID-c ist die Folge einer lokalen Zerstörung der Passivierschichten und einer Korrosion des Halbleitermaterials (corrosive PID). Abhängig davon, welcher der drei PID-Typen auftaucht, kann eine parallele Beleuchtung die Degradation verlangsamen oder vollständig stoppen. Am Fraunhofer CSP wurde ein Test entwickelt, der die PID-Anfälligkeit unter simultaner Beleuchtung bewertet. Das erlaubt die Beurteilung der Degradation im späteren Feldbetrieb.

Ursachenanalyse

PID-Shunt im Querschnitt — © Fraunhofer CSP
Transmissionselektronenmikroskopische Charakterisierung eines PID-Shunts im Querschnitt.

© Fraunhofer CSP
Mikoskopische Aufnahme der Lichtinduzierten Stromverteilung (µLBIC) zeigt nach PID-Test eine lokale Rekombinationsaktivität auf der Rückseite einer Bifazialzelle.

PID durch Kurzschlüsse (PID-s)

Der physikalische Mechanismus der zum Kurzschluss von Solarzellen führenden Potenzial-induzierten Degradation (PID-s) war lange Zeit unklar. Am Fraunhofer CSP gelang es, auf Basis mikrostruktureller Untersuchungen auf Zellebene den Defektmechanismus aufzuklären. Es zeigte sich: Durch Natrium verursachte winzige Stapelfehler auf der nanoskopischen Ebene sorgen dafür, dass in großen Solarmodulen Leistungsverluste bis hin zum Totalausfall auftreten können. Darauf aufbauend wurde ein physikalisches Modell für den Kurzschlussmechanismus in PID-abhängigen Solarzellen entwickelt.

PID durch Korrosion (PID-c) und De-Passivierung (PID-p)

Untersuchungen haben ergeben, dass bifiaziale Siliziumsolarzellen auf ihrer Rückseite unter Spannungsbelastung PID entwickeln, die mit einer lokalen Korrosion (PID-c) des Siliziums und einer starken Herabsetzung der Oberflächenpassivierung einhergeht (PID-p). Erste mikrostrukturelle Untersuchungen lassen auf lokale rekombinationsaktive Defekte schließen. Die Aufklärung des Defektmechanismus ist Gegenstand aktueller und geplanter Untersuchungen. Unter folgendem Link ist ein Teil der bisherigen Ergebnisse zusammengefasst: Bifa-PID Testing.pdf

Publikationen

K. Sporleder, V. Naumann, J. Bauer, S. Richter, A. Hähnel, S. Großer, M. Turek, C. Hagendorf, Local corrosion of silicon as root cause for potential induced degradation at the rear side of bifacial PERC solar cells. physica status solidi (RRL)–Rapid Research Letters. (2019),DOI 10.1002/pssr.201900163
K. Sporleder, V. Naumann, J. Bauer, S. Richter, A. Hähnel, S. Großer, M. Turek, C. Hagendorf, Root cause analysis on corrosive potential-induced degradation effects at the rear side of bifacial silicon PERC solar cells. Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 201 (2019) 110062, ISSN 0927-0248, doi 10.1016/j.solmat.2019.110062
K. Sporleder, V. Naumann, J. Bauer, S. Richter, A. Hähnel, S. Großer, M. Turek, C. Hagendorf, Microstructural Analysis of Local Silicon Corrosion of Bifacial Solar Cells as Root Cause of Potential‐Induced Degradation at the Rear Side. physica status solidi (a) (2019), doi 10.1002/pssa.201900334.
V. Naumann, O. Breitenstein, J. Bauer, C. Hagendorf, Search for Microstructural Defects as Nuclei for PID-Shunts in Silicon Solar Cells, Proceedings of 44th IEEE PVSC, Washington, DC (USA), in press (2017).
V. Naumann, C. Brzuska, M. Werner, S. Großer, C. Hagendorf, Investigations on the formation of stacking fault-like PID-shunts, Energy Procedia 92, 569-575 (2016).
V. Naumann, D. Lausch, C. Hagendorf, Sodium decoration of PID-s crystal defects after corona induced degradation of bare silicon solar cells, Energy Procedia 77, 397-401 (2015).
V. Naumann, D. Lausch, A. Hähnel, O. Breitenstein, C. Hagendorf, Nanoscopic studies of 2D-extended defects in silicon that cause shunting of Si-solar cells, physica status solidi (c) 12 (8), 1103–1107 (2015).
V. Naumann, T. Geppert, S. Großer, D. Wichmann, H.-J. Krokoszinski, M. Werner, C. Hagendorf, Potential-Induced Degradation at Interdigitated Back Contact Solar Cells, Energy Procedia 55, 498-503 (2014).
D. Lausch, V. Naumann, A. Graff, A. Hähnel, O. Breitenstein, C. Hagendorf, J. Bagdahn, Sodium Outdiffusion from Stacking Faults as Root Cause for the Recovery Process of Potential-Induced Degradation (PID), Energy Procedia 55, 486-493 (2014).
V. Naumann, D. Lausch, A. Hähnel, J. Bauer, O. Breitenstein, A. Graff, M. Werner, S. Swatek, S. Großer, J. Bagdahn, C. Hagendorf, Explanation of potential-induced degradation of the shunting type by Na decoration of stacking faults in Si solar cells, Sol. Energ. Mat. Sol. Cells 120, 383 (2014).
V. Naumann et al., Microstructural Analysis of Crystal Defects Leading to Potential-Induced Degradation (PID) of Si Solar Cells, Energy Procedia 33, 76 (2013).
V. Naumann, D. Lausch, A. Graff, M. Werner, S. Swatek, J. Bauer, A. Hähnel, O. Breitenstein, S. Großer, J. Bagdahn, C. Hagendorf, The role of stacking faults for the formation of shunts during potential-induced degradation of crystalline Si solar cells, pss (RRL) 7 (5), 315, (2013).
V. Naumann, C. Hagendorf, S. Großer, M. Werner, J. Bagdahn, Micro Structural Root Cause Analysis of Potential Induced Degradation in c-Si Solar Cells, Energy Procedia 27, 1 (2012).
J. Bauer, V. Naumann, S. Großer, C. Hagendorf, M. Schütze, O. Breitenstein, On the mechanism of potential-induced degradation in crystalline silicon solar cells, physica status solidi - Rapid Research Letters (RRL) 6 (8), 331 (2012).