การเสื่อมสภาพของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ The Deterioration of Solar Cells

งานนำเสนอเรื่อง: "การเสื่อมสภาพของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ The Deterioration of Solar Cells"— ใบสำเนางานนำเสนอ:

1 การเสื่อมสภาพของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ The Deterioration of Solar Cells
CES การเสื่อมสภาพของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ The Deterioration of Solar Cells โดย...นายบัณฑูร เวียงมูล อาจารย์ที่ปรึกษา ดร.กฤษณพงศ์ กีรติกร อาจารย์ที่ปรึกษาร่วม ดร.ธีรยุทธ์ เจนวิทยา สายวิชาเทคโนโลยีพลังงาน คณะพลังงานและวัสดุ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้าธนบุรี ภาคการศึกษาที่ 2 ปีการศึกษา 2548

2 การรับประกันอายุการใช้งานของเซลล์แสงอาทิตย์
CES Out line:… การรับประกันอายุการใช้งานของเซลล์แสงอาทิตย์ การเสื่อมสภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ การเสื่อมสภาพเริ่มต้นและต่อเนื่อง การตรวจสอบการเสื่อมสภาพของแผงเซลล์แสงอาทิตย์

3 การรับประกันอายุการใช้งานของเซลล์แสงอาทิตย์
CES การรับประกันอายุการใช้งานของเซลล์แสงอาทิตย์ Table 1: Module Warranty Period by Solarex on crystalline silicon [2] Date Length of Warranty Before 1987 1987 to 1993 1993 to 1999 Since 1999 5 years 10 years 20 years 25 years The length of the standard warranty offered by Solarex on crystalline silicon power modules during this time period. In the 12 years from 1987 to 1999 the warranty period increased from 5 years to 25 years.

4 ระยะเวลาในการรับประกันของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ที่จำหน่ายในท้องตลาด (Percentage Power Reduction Allowed)[4] CES Manufacturer Technology Warranty (Years) ASE Americas mc-Si 20 (-20%) AstroPower c-Si Si-Film 10 (-10%) BP Solar Evergreen Solar Kyocera 12 (-10%) Siemens Solar 25 (-20%) CIS 5 (-10%) Solarex a-Si United Solar Systems Sandia National Laboratories,Volume 3,1999

5 Cross section of typical crystalline silicon photovoltaic module [4]
CES Cross section of typical crystalline silicon photovoltaic module [4] Supperstrate (usually tempered glass) A polymer encapsulant (usually Ethylene-vinyl acetate [EVA]) Copper interconnection ribbons, solder bonds, solar cells A back sheet (typically Tedlar or glass) “Module Durability research at Sandia is discussed”,

6 การเสื่อมสภาพมีหลายสาเหตุแบ่งได้ดังนี้
CES การเสื่อมสภาพมีหลายสาเหตุแบ่งได้ดังนี้ การเสื่อมสภาพจากความขุ่นมัวของกระจก glass superstrate การเสื่อมสภาพจากความขุ่นมัวและการเปลี่ยนสีของ encapsulantและ delamination การเสื่อมสภาพของ Conductive Adhesive Systems การเสื่อมสภาพของ back sheet

7 Types of Field Failures Observed, BP Solar, 1994 - 2002 [2]
CES Types of Field Failures Observed, BP Solar, [2] Types of Failures % of Total Failures Corrosion Cell or Interconnect Break Output Lead Problem Junction Box Problem Delamination Overheated wires, diodesor terminal strip Mechanical Damage Defective Bypass Diodes 45.3 40.7 3.9 3.6 3.4 1.5 1.4 0.2

8 CES optical transparency โดยทั่วไปความขุ่นมัวของกระจกเกิดจากฝุ่น ออกไซด์ หรือ หินปูนที่มาจากน้ำที่ใช้ทำความสะอาดที่ยึดเกาะกับผิวกระจกเป็นคราบ ตั้งแต่ปี ค.ศ กระจกที่ใช้สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์จะเจือสาร cerium (Ce) ลงไปในการป้องกันรังสี UV และเพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพของ โพลิเมอร์

9 Spectral Transmittance [1]
CES Spectral Transmittance [1] พบว่าแสงที่ผ่านมายังเซลล์สามมารถผ่านเข้ามาได้ 96 % และสูญเสีย 4 % ที่ผิวด้านบนของวัสดุ Spectral hemispherical transmittance of module superstrate materials including recent vintage AFG SoliteÔ glass samples with and without Ce additive, field-aged 1989-vintage AFG glass sample, and DuPont TefzelÔ polymer sample.

10 การเสื่อมสภาพจากการเปลี่ยนสีของ encapsulant [1]
CES การเสื่อมสภาพของความขุ่นมัวและการเปลี่ยนสีของ encapsulant ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็น EVA สีที่เปลี่ยนจะเป็นสีน้ำตาลแดง สาเหตุมาจากการได้รับรังสี UV(< 400 nm) ซึ่งรังสี UV นี้จะไปเปลี่ยนโครงสร้างของ EVA เป็นที่รู้จักในนาม cosmetic effect ผลที่เกิดขึ้นจะทำให้กำลังไฟฟ้าลดลงเล็กน้อย ดังนั้นจึงได้มีการปรับปรุงไห้ EVA มีคุณสมบัติป้องกันการเสื่อมสภาพนี้ทำให้ได้ “fast-cure” EVA (15295) Optical durability of the combination of a Ce-doped AFG glass superstrate and fast-cure EVA (15295) encapsulant is demonstratedby negligible loss in module short-circuit current over 7 years of continuous outdoor exposure in Albuquerque, New Mexico. [1]

11 Encapsulant Elasticity [1]
CES Encapsulant Elasticity [1] Measurements of tensile modulus of elasticity for unexposed standard-cure EVA sample and on a similar sample from a module after 7 years of exposure in the Fiji Islands.

12 Module delamination [4]
CES A common observation has been that delamination is more frequent and more severe in hot and humid climates, sometimes occurring after less than five years of exposure. Delamination first causes a performance loss due to optical decoupling of the encapsulant from the cells. Module delamination resulting from extended field exposure often initially occurs adjacent to cell interconnect ribbons.[4] “Module Durability research at Sandia is discussed”,

13 Back sheet CES ใช้สำหรับป้องกัน encapsulant ป้องกันความชื้นและอากาศเข้าไปในเซลล์ ส่วนใหญ่ จะเป็น Tedlar® polyvinyl fluoride (PVF) [16], Poly Ethylene Teraphthalate (PET), Tedlar ® /PET/EVA (TPE), Tedlar ® /Al/Tedlar ® (TAT), TruSeal LAF Splitting delamination of the back-sheet(left), water penetration corresponding to the tedlar back sheet datachement in a 21-year old ASI module(right). [8]

14 Evaluation of Factors Influencing Electrical Performance
. A symbolic representation of the Conducting mechanism of conductive epoxy adhesives. Measured resistance of samples with a 1 cm2 contact area in 85oC/85% humidity damp/heat test

15 Metallurgical Analysis of Solder Bonds [4]
CES Metallurgical Analysis of Solder Bonds [4] Conductive Adhesive Systems ตัวเชื่อมต่อระหว่างribbon กับเซลล์จะเป็น electrically conductive adhesive (ECA) เช่น Pb40Sn60, Silver-loaded epoxy resin , Sn96.5Ag3.5 โดยใช้กระบวนการ Solding processes อุณหภูมิที่ใช้ จะอยู่ในช่วง oC

16 Metallurgical Analysis of Solder Bonds [1]
Cross-sections of solder bonds in modules from four different manufacturers. From top, layers are copper ribbon, solder, cell metallization, cell, cell metallization, solder, and copper ribbon.

17 CES INITIAL DEGRADATION The photon degradation of mono crystalline silicon solar cells.[3] estimate 2.6% photon degradation and 1.3% deviation from declared power Summary of the degradation in Pmax after the Outdoor Exposure test for 66 module types tested at JRC Ispra ,1995.[3]

18 CONTINUOUS DEGRADATION [3]
CES CONTINUOUS DEGRADATION [3] The causes for degradation in continuous operation can be many. Some examples taken from the JRC outdoor test site are, severe discoloration, delamination, cracking of cover glass, splitting of back-sheets, wiring degradation and junction box fail degradation rate of 0.4% per annum. The crystalline silicon array in question uses Arco Solar ASI modules. The array was installed in March 1982, and a sample set of 18 modules were then measured at JRC in October 1982 to 2001.

19 การตรวจสอบการเสื่อมสภาพของแผงเซลล์แสงอาทิตย์
แสดงปรากฏการณ์การเสื่อมสภาพจากการใช้งานและการเร่งการทดสอบแผงเซลล์แสงอาทิตย์ [2] Field Failure Failure Mechanism Accelerated Test Interconnect Breakage Thermal expansion & contraction Thermal Cycle Delamination of Encapsulant Moisture Penetration Humidity Freeze Corrosion of Cell Metallization Damp Heat

20 กระบวนการทดสอบหลักมีอยู่ 3 กระบวนการดังนี้ [1]
IEC 61215, “Crystalline silicon terrestrial photovoltaic modules – Design qualification and type approval” หรือ IEC “Thin-film terrestrial photovoltaic modules – Design qualification and type approval” กระบวนการทดสอบหลักมีอยู่ 3 กระบวนการดังนี้ [1] 200 thermal cycles, (from –40 to +85 °C until it starts to experience failures, 6h/cycle) humidity freeze cycles (from –40 to +85 °C until it starts to experience failures, °C RH 85% + 5% 10cycle) และ 1000 hours of damp heat (exposure at 85 °C and 85% relative humidity) กระบวนการทดสอบสำหรับ Superstrate materials มีการทดสอบความแข็งแรงเชิงกล และ ความทนทานต่อการกระแทกของแผง [1] mechanical loading twisting, ice-ball (hail) impact tests (3) and hot spot.

21 Superstrate materials
CES Superstrate materials ใช้สำหรับปิดเซลล์แสงอาทิตย์ โดยทั่วไปจะเป็น กระจก tempered และมีส่วนผสมของเหล็กน้อยหรือ low-iron ผิวด้านหนึ่งเรียบอีกต้านขรุขระ และมีความหนา 3.2 mm วัตถุประสงค์ของการใช้กระจกมีดังนี้ เพื่อความแข็งแรงของวัสดุ (mechanical rigidity) เพื่อทนต่อแรงกระแทก (impact resistance) ความโปร่งใส (optical transparency) เป็นฉนวนทางไฟฟ้า (electrical isolation of the solar cell circuit) และทนต่อสภาวะแวดล้อม (outdoor weather ability) การทดสอบความแข็งแรงทางโครงสร้าง การทดสอบความแข็งแรงทางโครงสร้างและการทนต่อแรงกระแทกของกระจก มีวัตถุประสงค์เพื่อทดสอบ stress ซึ่งตามมาตรฐานการทดสอบโซล่าเซลล์นั้น มีอยู่ในหัวข้อการทดสอบ Thermal Cycling, Mechanical Loading, Twisting (จากมาตรฐาน IEC61215 ฉบับ 2005 ได้มีการยกเลิกหัวข้อนี้) and Ice-Ball (Hail) Impact Test

22 CES Impact Resistance [4] การทนต่อแรงกระแทกของแผงเซลล์ที่ยอมรับได้ ในการทดสอบจะใช้ลูกบอลน้ำแข็งขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางขนาด 2.54-cm น้ำหนักขนาด(8gram ) ยิงกระแทกด้วยความเร็ว 23 m/s.ที่มุมตั้งฉากกับกระจก สำหรับก้อนน้ำแข็งที่ใช้ทดสอบจะใช้น้ำหนักขนาด (2 to 4 gram) และใช้ความเร็วในการชนกระจก 10 to 15 m/s การจารณานี้จากประมาณ พายุทีมีค่าน้อยกว่า 25 m/s “Module Durability research at Sandia is discussed”,

23 Encapsulant Materials
CES Encapsulant Materials วัตถุประสงค์ เพื่อยึดเหนี่ยว หรือ laminate แต่ละชั้นของแผงโซล่าเซลล์เข้าด้วยกัน โดยมีคุณสมบัติ High optical Transmittance มีการยึดเหนี่ยวติดแน่นในวัสดุต่างชนิดกัน มีความยืดหยุ่นเพียงพอสำหรับ Stress ที่เกิดจาก Thermal Expansion มีความเป็นฉนวนที่ดี “ตัวอย่างของวัสดุ Encapsulate ได้แก่ polyvinyl butyral, silicone rubber, ethylene-vinyl-acetate (EVA)” EVA browning patterns highlighted by illumination with 375-nm lamp. Damaged EVA fluoresces producing rectangular regions shown on cells in 1984-vintage module at right. Unexposed cells at left. [4]

24 Optical Losses in Encapsulant [4]
CES Optical Losses in Encapsulant [4] Illuminate the module with a 375-nm hand-held UV lamp. If the EVA has degraded, it will fluoresce over a wide wavelength range looking “white“ EVA browning patterns highlighted by illumination with 375-nm lamp. Damaged EVA fluoresces producing rectangular regions shown on cells in 1984-vintage module at right. Unexposed cells at left. [4]

25 CES New diagnostic technique that has helped identify multiple factors contributing to loss of encapsulant adhesion. [4] Typical measurements for unexposed modules resulted in peak shear stress in the range of 3 to 6 MPa for EVA encapsulant, and greater than 15 MPa for non-EVA encapsulants. After field exposure, this adhesive (shear) strength drops, reaching value of zero when delamination occurs. Typical measurements for unexposed modules resulted in peak shear stress in the range of 3 to 6 MPa for EVA encapsulant, and greater than 15 MPa for non-EVA encapsulants. After field exposure, this adhesive (shear) strength drops, reaching value of zero when delamination occurs.

26 Moisture Migration in Encapsulant [4]
CES Close-up of moisture sensing semiconductor chip embedded in EVA between silicon cell and glass superstrate. “Module Durability research at Sandia is discussed”,

27 CES Thermal infrared imaging [4] Thermal infrared image of 36-cell module with abnormally resistive solder bonds. The procedure involves connecting a module to a power supply with the module in a forward-biased condition electrically. The power supply provides a continuous current through the module at a level between one and three times the nameplate short-circuit current.

28 CES บทสรุป การรับประกันอายุเฉลี่ยของเซลล์ที่ 20 ปี กำลังไฟฟ้าจะลดลงไม่เกิน 20%[4] สาเหตุของการเสื่อมสภาพมาจากหลายปัจจัยเช่นความขุ่นมัวของกระจก glass superstrate ความขุ่นมัวและการเปลี่ยนสีของ encapsulantและ delamination การเสื่อมสภาพของ Conductive Adhesive Systems และ การเสื่อมสภาพของ back sheet การเสื่อมสภาพส่วนใหญ่เป็น Corrosion Cell or Interconnect Break ตั้งแต่ปี ค.ศ กระจกที่ใช้สำหรับเซลล์แสงอาทิตย์จะเจือสาร cerium (Ce) ลงไปในการป้องกันรังสี UV และเพื่อป้องกันการเสื่อมสภาพของ โพลิเมอร์ การเสื่อมสภาพมีในลักษณะเริ่มต้นและแบบต่อเนื่อง จะลดกำลังไฟฟ้าลงในอัตรา 0.4% per annum [3]

29 CES บทสรุป ต่อ ปรากฏการณ์การเสื่อมสภาพจากการใช้งานและการเร่งการทดสอบแผงเซลล์แสงอาทิตย์ การเสียหายในลักษณะ Interconnect Breakage เกิดจากปรากฏการณ์ Thermal expansion & contraction ใช้กระบวนการเร่งการทดสอบโดย Thermal Cycle การเสียหายในลักษณะ Delamination of Encapsulant เกิดจากปรากฏการณ์ Moisture Penetration ใช้กระบวนการเร่งการทดสอบโดย Humidity Freeze การเสียหายในลักษณะ Corrosion of Cell Metallization เกิดจากปรากฏการณ์ Moisture Penetration ใช้กระบวนการเร่งการทดสอบโดย Damp Heat

30 References CES D. L. King, M. A. Quintana, J. A. Kratochvil, D. E. Ellibee, and B. R. Hansen, “Photovoltaic Module Performance and Durability Following Long-Term Field Exposure”, Sandia National Laboratories, Albuquerque, NM John H. Wohlgemuth, “Long Term Photovoltaic Module Reliability”, NCPV and Solar Program Review Meeting 2003, BP Solar, 630 Solarex Court, Frederick, MD 21703 Ewan D. Dunlop European Commission, Joint Research Centre, “LIFETIME PERFORMANCE OF CRYSTALLINE SILICON PV MODULES”, Institute for Environment and Sustainability, Renewable Energies Unit TP 450, via E. Fermi 1, I Ispra (Va), Italy “Module Durability research at Sandia is discussed”, Sandia National Laboratories, Volume 3, 1999 D.W.K. Eikelboom , at.all, “CONDUCTIVE ADHESIVES FOR LOW-STRESS INTERCONNECTION OF THIN BACK-CONTACT SOLAR CELLS”, ECN Solar Energy, PO Box 1,1755 ZG Petten, The Netherlands. C.R. Osterwald, J. Pruett, and T. Moriarty, “CRYSTALLINE SILICON SHORT-CIRCUIT CURRENT DEGRADATION STUDY: INITIAL RESULTS”, National Renewable Energy Laboratory (NREL), Golden, CO 80401 C.R. Osterwald, A. Anderberg, S. Rummel, and L. Ottoson, “Degradation Analysis of Weathered Crystalline-Silicon PV Modules”, NREL/CP , the 29th IEEE PV Specialists Conference New Orleans, Louisiana May 20-24, 2002 D. Chianese, A. Realini, N. Cereghetti, S. Rezzonico, E. Burà, G. Friesen, A. Bernasconi, ”ANALYSIS OF WEATHERED c-Si PV MODULES”, LEEE-TISO, University of Applied Sciences of Southern Switzerland (SUPSI), DCT, Via Trevano, 6952 Canobbio, Switzerland Thermal recovery effect on light-induced degradation of amorphous silicon solar module under the sunlight Takeharu Yamawaki a'*, Seishiro Mizukami a, Akifumi Yamazaki b, Haruo Takahashi b Electronic Materials Researching Laboratories, Kaneka Corporation, Hieitsuji, Otsu, Shiga, Japan b Department of Electrical Engineering, Nara National College of Technology, Yamatokoriyama, Nara, Japan ANALYSES OF FIELD TEST DATA FOR AMORPHOUS SILICON PV ARRAY Y. ICHIKAWA, M. TANDA and H. SAKAI Functional Device Laboratory, Fuji Electric Corp. Research and Development, Ltd Nagasaka, Kanagawa, Yokosuka , Japan