การเสื่ อมสภาพของแผงเซลล์ แสงอาทิตย์ The Deterioration of Solar Cells โดย...นายบัณฑูร เวียงมูล อาจารย์ ที่ปรึกษา ดร.กฤษณพงศ์ กีรติกร อาจารย์ ที่ปรึกษาร่ วม ดร.ธีรยุทธ์ เจนวิทยา สายวิชาเทคโนโลยีพลังงาน คณะพลังงานและวัสดุ มหาวิทยาลัยเทคโนโลยีพระจอมเกล้ าธนบุรี ภาคการศึกษาที่ 2 ปี การศึกษา 2548 CES Out line:… การรับประกันอายุการใช้ งานของเซลล์แสงอาทิตย์ การเสื่ อมสภาพของเซลล์แสงอาทิตย์ การเสื่ อมสภาพเริ่มต้ นและต่ อเนื่อง การตรวจสอบการเสื่ อมสภาพของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ CES การรับประกันอายุการใช้งานของเซลล์แสงอาทิตย์ Table 1: Module Warranty Period by Solarex on crystalline silicon [2] Date Before 1987 1987 to 1993 1993 to 1999 Since 1999 Length of Warranty 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. CES ระยะเวลาในการรับประกันของแผงเซลล์แสงอาทิตย์ ที่จาหน่ ายในท้ องตลาด (Percentage Power Reduction Allowed)[4] Manufacturer Technology ASE Americas mc-Si Warranty (Years) 20 (-20%) AstroPower c-Si 20 (-20%) AstroPower Si-Film 10 (-10%) c-Si 20 (-20%) Evergreen Solar mc-Si 10 (-10%) Kyocera mc-Si 12 (-10%) Siemens Solar c-Si 25 (-20%) Siemens Solar CIS 5 (-10%) Solarex mc-Si 20 (-20%) Solarex a-Si 20 (-20%) United Solar Systems a-Si 20 (-20%) BP Solar Sandia National Laboratories,Volume 3,1999 CES Cross section of typical crystalline silicon photovoltaic module [4] Glass Copper - Solder EVA PV cell + Tedlar Ag Plate 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”, CES การเสื่ อมสภาพมีหลายสาเหตุแบ่งได้ดงั นี้ การเสื่ อมสภาพจากความขุ่นมัวของกระจก glass superstrate การเสื่ อมสภาพจากความขุ่นมัวและการเปลี่ยนสี ของ encapsulantและ delamination การเสื่ อมสภาพของ Conductive Adhesive Systems การเสื่ อมสภาพของ back sheet CES Types of Field Failures Observed, BP Solar, 1994 - 2002 [2] Types of Failures Corrosion Cell or Interconnect Break Output Lead Problem Junction Box Problem Delamination Overheated wires, diodesor terminal strip Mechanical Damage Defective Bypass Diodes % of Total Failures 45.3 40.7 3.9 3.6 3.4 1.5 1.4 0.2 CES optical transparency โดยทัว่ ไปความขุ่นมัวของกระจกเกิดจากฝุ่ น ออกไซด์ หรื อ หิ นปูนที่มาจากน้ าที่ใช้ทาความสะอาดที่ยดึ เกาะกับผิวกระจก เป็ นคราบ ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1990 กระจกที่ใช้สาหรับเซลล์ แสงอาทิตย์จะเจือสาร cerium (Ce) ลงไปในการป้ องกันรังสี UV และเพื่อป้ องกันการเสื่ อมสภาพของ โพลิเมอร์ CES Spectral Transmittance [1] พบว่ าแสงที่ผ่านมายังเซลล์ สามมารถผ่ านเข้ ามาได้ 96 % และสู ญเสี ย 4 % ที่ผวิ ด้ านบนของวัสดุ 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. CES การเสื่ อมสภาพจากการเปลี่ยนสี ของ encapsulant [1] การเสื่ อมสภาพของความขุ่นมัวและการเปลี่ยนสี ของ encapsulant ซึ่งส่วนใหญ่จะเป็ น EVA สี ที่เปลี่ยนจะเป็ นสี น้ าตาลแดง สาเหตุมาจากการได้รับรังสี UV(< 400 nm) ซึ่งรังสี UV นี้จะไปเปลี่ยนโครงสร้างของ EVA เป็ นที่รู้จกั ในนาม cosmetic effect ผลที่เกิดขึ้นจะทาให้กาลังไฟฟ้ าลดลงเล็กน้อย ดังนั้นจึงได้มีการปรับปรุ งไห้ EVA มี คุณสมบัติป้องกันการเสื่ อมสภาพนี้ทาให้ได้ “fast-cure” EVA (15295) Optical durability of the combination of a Ce-doped AFG glass superstrate and fastcure EVA (15295) encapsulant is demonstratedby negligible loss in module short-circuit current over 7 years of continuous outdoor exposure in Albuquerque, New Mexico. [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. CES Module delamination [4] 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”, CES Back sheet ใช้ สาหรับป้ องกัน encapsulant ป้ องกันความชื้นและอากาศเข้ าไปในเซลล์ ส่ วนใหญ่ จะเป็ น 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 ASI16-2300 module(right). [8] CES 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 14 Metallurgical Analysis of Solder Bonds [4] Conductive Adhesive Systems ตัวเชื่อมต่อระหว่างribbon กับเซลล์จะเป็ น electrically conductive adhesive (ECA) เช่น Pb40Sn60, Silver-loaded epoxy resin , Sn96.5Ag3.5 โดยใช้ กระบวนการ Solding processes อุณหภูมิที่ใช้ จะอยูใ่ นช่วง 250-400 oC CES 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. 16 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] 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 backsheets, wiring degradation and junction box fail degradation rate of 0.4% per annum. The crystalline silicon array in question uses Arco Solar ASI 16-2300 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. CES การตรวจสอบการเสื่ อมสภาพของแผงเซลล์ แสงอาทิตย์ แสดงปรากฏการณ์ การเสื่ อมสภาพจากการใช้ งานและการเร่ งการทดสอบ แผงเซลล์แสงอาทิตย์ [2] Field Failure Interconnect Breakage Delamination of Encapsulant Corrosion of Cell Metallization Failure Mechanism Accelerated Test Thermal expansion & Thermal Cycle contraction Moisture Penetration Humidity Freeze Moisture Penetration Damp Heat 19 IEC 61215, “Crystalline silicon terrestrial photovoltaic modules – Design qualification and type approval” หรือ IEC 61646 “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, 0 -85 °C RH 85% + 5% 10cycle) และ 1000 hours of damp heat (exposure at 85 °C and 85% relative humidity) กระบวนการทดสอบสาหรับ Superstrate materials มีการทดสอบความ แข็งแรงเชิงกล และ ความทนทานต่อการกระแทกของแผง [1] mechanical loading twisting, ice-ball (hail) impact tests (3) and hot spot. 20 Superstrate materials ใช้สาหรับปิ ดเซลล์แสงอาทิตย์ โดยทัว่ ไปจะเป็ น กระจก tempered และมี ส่ วนผสมของเหล็กน้อยหรื อ low-iron ผิวด้านหนึ่งเรี ยบอีกต้านขรุ ขระ และมีความหนา 3.2 mm วัตถุประสงค์ของการใช้กระจกมีดงั นี้ เพื่อความแข็งแรงของวัสดุ (mechanical rigidity) เพื่อทนต่อแรงกระแทก (impact resistance) ความโปร่ งใส (optical transparency) เป็ นฉนวนทางไฟฟ้ า (electrical isolation of the solar cell circuit) และทนต่อสภาวะแวดล้อม (outdoor weather ability) CES Impact Resistance [4] การทนต่อแรงกระแทกของแผงเซลล์ ที่ ยอมรั บได้ ในการทดสอบจะใช้ลู ก บอลน้ าแข็งขนาดเส้นผ่านศูนย์กลาง ขนาด 2.54-cm น้ าหนักขนาด(8gram ) ยิงกระแทกด้วยความเร็ ว 23 m/s.ที่มุม ตั้งฉากกับกระจก สาหรับก้อนน้ าแข็ง ที่ใช้ทดสอบจะใช้น้ าหนักขนาด (2 to 4 gram) และใช้ความเร็ วในการชน กระจก 10 to 15 m/s การจารณานี้ จาก ประมาณ พายุทีมีค่าน้อยกว่า 25 m/s “Module Durability research at Sandia is discussed”, 22 CES Encapsulant Materials วัตถุประสงค์ • เพือ่ ยึดเหนี่ยว หรือ laminate แต่ ละชั้นของแผงโซล่าเซลล์เข้ าด้ วยกัน •โดยมีคุณสมบัติ High optical Transmittance •มีการยึดเหนี่ยวติดแน่ นในวัสดุต่างชนิดกัน •มีความยืดหยุ่นเพียงพอสาหรับ Stress ทีเ่ กิดจาก Thermal Expansion •มีความเป็ นฉนวนทีด่ ี “ตัวอย่ างของวัสดุ Encapsulate ได้ แก่ 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 23 module at right. Unexposed cells at left. [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 24 module at right. Unexposed cells at left. [4] 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. 25 CES Moisture Migration in Encapsulant [4] Close-up of moisture sensing semiconductor chip embedded in EVA between silicon cell and glass superstrate. “Module Durability research at Sandia is discussed”, 26 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. 27 CES บทสรุป การรับประกันอายุเฉลีย่ ของเซลล์ ที่ 20 ปี กาลังไฟฟ้าจะลดลงไม่ เกิน 20%[4] สาเหตุของการเสื่ อมสภาพมาจากหลายปัจจัยเช่ นความขุ่นมัวของกระจก glass superstrate ความขุ่นมัวและการเปลีย่ นสี ของ encapsulantและ delamination การเสื่ อมสภาพของ Conductive Adhesive Systems และ การเสื่ อมสภาพของ back sheet การเสื่ อมสภาพส่ วนใหญ่ เป็ น Corrosion Cell or Interconnect Break ตั้งแต่ ปี ค.ศ. 1990 กระจกทีใ่ ช้ สาหรับเซลล์แสงอาทิตย์จะเจือสาร cerium (Ce) ลงไปในการป้องกันรังสี UV และเพือ่ ป้ องกันการเสื่ อมสภาพของ โพลิเมอร์ การเสื่ อมสภาพมีในลักษณะเริ่มต้ นและแบบต่ อเนื่อง จะลดกาลังไฟฟ้าลงในอัตรา 0.4% per annum [3] CES บทสรุป ต่ อ ปรากฏการณ์ การเสื่ อมสภาพจากการใช้ งานและการเร่ งการทดสอบแผง เซลล์แสงอาทิตย์ การเสี ยหายในลักษณะ Interconnect Breakage เกิดจากปรากฏการณ์ Thermal expansion & contraction ใช้ กระบวนการเร่ งการทดสอบโดย Thermal Cycle การเสี ยหายในลักษณะ Delamination of Encapsulant เกิดจากปรากฏการณ์ Moisture Penetration ใช้ กระบวนการเร่ งการทดสอบโดย Humidity Freeze การเสี ยหายในลักษณะ Corrosion of Cell Metallization เกิดจากปรากฏการณ์ Moisture Penetration ใช้ กระบวนการเร่ งการทดสอบโดย Damp Heat 29 CES References 1) 2) 3) 4) 5) 6) 7) 8) 9) 10) 11) 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 87185-0752 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-21020 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. 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-21020 Ispra (Va), Italy 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-520-31455 , 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, 2-1-1 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. 2-2-1 Nagasaka, Kanagawa, Yokosuka 240-01, Japan CES