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