Was ist PID oder die Degradierung von Solarmodulen?

Die Degradation von Solarmodulen, d. h. die potenzialinduzierte Degradation (PID), führt im Laufe der Zeit zu einer Verringerung der Leistung von Batterien. In einigen Fällen kann sie reversibel sein, aber sie ist immer ein komplexes technisches Problem, das sofort gelöst werden muss.

Was ist eine PID?

PID war das erste Mal, dass die Ingenieure des amerikanischen Solarmodulherstellers SunPower über PID nachdenken mussten. Die hocheffizienten Anlagen verloren in einigen Fällen in extrem kurzer Zeit bis zu 30 % der Nennleistung der Anlage.

Der Grund dafür war die Polarisierung – das Potenzial der Solarmodule im Verhältnis zur Erde. Durch die Erdung der positiven Elektrode konnte nicht nur eine Degradation zuverlässig verhindert, sondern auch der Betrieb von Anlagen, die diesen Prozess bereits durchlaufen hatten, wiederhergestellt werden.

Das Wesen der PID ist das Auftreten von Leckströmen, die in den Zwischenräumen zwischen den Halbleiterscheiben und den anderen Komponenten des Moduls beobachtet werden:

• des Schutzrahmens;
• Laminierfolie oder PET-Material;
• Glas.

Das Modul verliert daher seine Fähigkeit, eine Nennausgangsspannung zu erzeugen. Dies wird durch einen Potenzialunterschied zwischen dem Solarmodul (den Modulen, aus denen es besteht) und der Montagekonstruktion (Edelstahl- oder Aluminiumrahmen) verursacht.

Alle Module unterliegen ausnahmslos dem Degradationsprozess:

• mono- und polykristallin;
• Dünnschicht.

Sie verläuft jedoch in jedem Fall auf eine bestimmte Weise und mit unterschiedlicher Intensität. Dieser Prozess ist insbesondere unter dem Gesichtspunkt unerwünscht, dass alle modularen Solarenergie-zu-Strom-Projekte sowie große Solarkraftwerke mindestens 25-30 Jahre lang ohne Unterbrechung betrieben werden sollen.

Ein unerwarteter signifikanter Rückgang ihrer Leistung in den ersten Jahren ist sowohl technisch als auch wirtschaftlich eine Katastrophe.

Ursachen für die Degradierung von Solarmodulen

Forschungen zu diesem Thema haben ergeben, dass die Mobilität der Elektronen mit steigender Temperatur und Feuchtigkeit der Umgebung zunimmt. Auch Fremdkörper, die mit der Oberfläche des PV-Moduls in Berührung kommen, erhöhen die Polarisierung.

Die Hauptursachen für eine Verschlechterung der Gerätequalität sind im Allgemeinen folgende

• die Merkmale der Konverterstruktur des Systems;
• die Struktur des Moduls;
• einige Nuancen in der Struktur des Systems;
• der Einfluss des externen Umfelds.

Die Umwelt ist praktisch unkontrollierbar, während die anderen Faktoren, die zu PID führen und eine Verschlechterung der Solarmodule verursachen, weitgehend beeinflusst werden können.

Aufbau von Wandlern für Photovoltaikanlagen

Es hat sich gezeigt, dass die in der Antireflexionsbeschichtung der Paneele enthaltenen Verbindungen zur Degradation beitragen. Ihr Einfluss wurde dank moderner physikalischer Forschungsmethoden (Sekundärionen-Massenspektrometrie) nachgewiesen, mit denen Glasnatrium in der Oberfläche der Beschichtung entdeckt wurde.

Ursprünglich wurde diese Art von Beschichtung (ARC) verwendet, um die Lichtdurchlässigkeit zu erhöhen. Sie ermöglicht eine Erhöhung des Energieumwandlungskoeffizienten des Systems.

Merkmale der Struktur der Solarmodule

Um das Auftreten des PID-Effekts zu minimieren, muss der Auswahl besondere Aufmerksamkeit geschenkt werden:

• des vorderen Fensters;
• Material, das eingekapselt werden soll;
• der Diffusionsbarriere.

Die Forschung bestätigt, dass einige der wichtigsten Degradationsfaktoren die Inhaltsstoffe von Kalk-Natron-Glas sind, nämlich diejenigen, die in der Quarzvariante nicht vorhanden sind.

Natrium gilt wegen seiner hohen elektrischen Aktivität als das wichtigste Element dieser Art, aber auch Kalzium, Magnesium und Aluminium können einen Einfluss haben.

Die Materialien für die Laminierung von Modulen sind sehr unterschiedlich und unterscheiden sich in ihrer Leitfähigkeit.

1. EVA-Folie (Ethylenvinylacetat) eignet sich hervorragend zur Verhinderung von Polarisierung und anschließender Degradation von Solarzellen. Sie ist derzeit das Material der Wahl für die Verkapselung von Geräten. Die Essigsäure in seiner Zusammensetzung kann auch ein Faktor sein, der für die Auflösung von Metallionen in der sogenannten Glaskorrosion auf seiner Oberfläche verantwortlich ist.
2. PVB (Polyvinylbutyral) hingegen führt zu einer verstärkten Zersetzung des Heliopanels. Es ist wenig oder gar nicht resistent gegen das Eindringen von Flüssigkeit, und mit zunehmender Flüssigkeitsmenge nimmt auch die Leitfähigkeit zu.

Siliziumdioxid wurde erfolgreich als Material zur Schaffung einer Diffusionsbarriere zwischen der Glasoberfläche und den Bereichen des Halbleiters mit höchster elektrischer Aktivität eingesetzt. Es verhindert in hervorragender Weise die Entstehung von Leckströmen, doch kann die Laserablation kleine Lücken in der Barriereschicht hinterlassen, was zu Funktionsproblemen führen kann.

Merkmale der Systemstruktur

Auf der Ebene der PV-Anlage sind die wichtigsten Degradationsfaktoren die Eingangsspannung und ihr Vorzeichen, das vom Standort der Module und der Art der Erdung abhängt. Auf der Grundlage dieser Indikatoren wird der Wechselrichtertyp ausgewählt.

Je nach Art der Erdung kann sich das Spannungspotential des Modulsystems stark verändern.

Der PID-Effekt wird am häufigsten auf das negative Vorzeichen der Spannung im Verhältnis zur Erde zurückgeführt. Auch im Bereich des positiven Potenzials wurde eine gründliche Untersuchung durchgeführt.

Kapazitive Effekte spielen eine wichtige Rolle bei der Gestaltung des Verhältnisses zwischen Spannung und Degradation von Solarmodulen. Elektrische Ladungen bei der Ionenwanderung, die durch bestimmte elektrische Phänomene verursacht werden, verringern den Wirkungsgrad des Moduls, indem sie sich auf die Halbleiterscheiben auswirken.

Die von den SunPower-Ingenieuren durchgeführte Analyse zeigt, dass sich die PID-Prozesse in jedem Fall für die Stabilisierung des Zustands eignen, der jeder Modulart eigen ist.

Exposition gegenüber Umweltfaktoren

Es ist experimentell erwiesen, dass steigende Temperatur- und Luftfeuchtigkeitswerte die Leistung von Sonnenkollektoren und Solarkraftwerken verringern. Dies hat eine besonders schädliche Wirkung:

• hohe Luftfeuchtigkeit und Temperatur der Umgebung und der gleichzeitig wirkenden Geräte;
• Temperaturschwankungen;
• regelmäßiges Auftauen und Einfrieren von Wasser.

Im letzteren Fall erhöht sich der Leckstrom aufgrund der Zerstörung der Integrität der EVA-Laminierfolie. Dies führt zu einer Verringerung der Widerstandsfähigkeit gegenüber dem Degradationsprozess der Platte.

Methoden zur Bestimmung von PID

Das wichtigste Anzeichen für die Verschlechterung von Solarmodulen ist ein nicht erklärbarer Rückgang des Wirkungsgrads.

1. Der einfachste Weg, PID in einem bestimmten Modul oder System zu identifizieren, ist die Messung der Leerlaufspannung. Ein normales Voltmeter reicht dafür aus. Es ist nicht ungewöhnlich, dass sich der Prozess nur auf einen Teil des Stromkreises auswirkt, der näher am positiven oder negativen Pol liegt.
2. In Fällen, in denen der Zugang zu den Kettenmodulen schwierig ist, kann die Elektrolumineszenz zur Erkennung von Degradation verwendet werden.

Die Prüfung der Degradationsanfälligkeit von Modulen in spezialisierten Zertifizierungsstellen und Labors ist ein integraler Bestandteil der modernen Solarenergietechnik. Sie ist auch ein notwendiger Schritt zur Erlangung von Projektfinanzierungen in diesem Bereich.

Unumkehrbare Degradation von Solarmodulen

Je nach Art der beteiligten Faktoren kann die Verschlechterung der Ausrüstung reversibel oder irreversibel sein.

1. Der Oberflächenpolarisationseffekt, der 2005 in der SunPower-Anlage auftrat, ist eine reversible Form der Degradation. Er führt zu einer ständigen statischen Aufladung der Oberfläche von Modulkomponenten, die jedoch durch die Wiederherstellung der vollen Kapazität der Erstausrüstung neutralisiert werden kann. Die Entwicklung dieser Art von Situation wird auf den Übergang von Natriumionen vom Frontglas zu den photovoltaischen Wandlern zurückgeführt.
2. Irreversible Degradation wird in der Regel durch Unregelmäßigkeiten in der Struktur der Einheit verursacht. Temperaturschwankungen, insbesondere Frost-Tau-Zyklen, Wasser und andere Flüssigkeiten, die in großem Umfang unter die äußere Umhüllung und die Laminierfolie zur Gewährleistung der Luftdichtheit eindringen, können ihr Auftreten beeinflussen.

Die erste Art von Prozess ist bei Systemen mit kristallinen Siliziumelementen üblich, während irreversible PID am häufigsten bei Dünnschichtmodulen auftritt. Sie wird durch elektrochemische Reaktionen verursacht, die zu Korrosion, Schäden an den Geräten und Delaminierung der Modulkomponenten führen.

Die irreversible Degradation von Solarmodulen ist ein ernstes Problem, das den Verlust teurer Anlagen und das wirtschaftliche Scheitern bedeutender Projekte zur Entwicklung des Solar- und Alternativenergiesektors zur Folge haben kann. Dieser Prozess erfordert eine sofortige Reaktion, die Ermittlung der Ursachen für die auftretenden Leckagen und die Minimierung der Verluste.