La adopción bifacial estimula la reconsideración del PID

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Fuente: https://www.pv-magazine.com/

Los sistemas fotovoltaicos son únicos entre los dispositivos electrónicos, ya que se espera que sobrevivan al aire libre durante al menos 25 a 30 años. Esto hace que la calidad del módulo y del sistema sea una de las piedras angulares del retorno de la inversión garantizado. La degradación potencial inducida (PID) es un modo de falla crítico con un impacto financiero potencialmente alto. Una nueva investigación de imec y la Universidad de Hasselt analiza el impacto dañino que el PID puede tener en la tecnología bifacial, escribe Michaël Daenen, profesor de EnergyVille y la Universidad de Hasselt.

Con base en los resultados de 300 horas de pruebas de estrés PID, los investigadores pudieron confirmar que los iones de sodio que impulsan el mecanismo PID se originan en la cubierta de vidrio de cal sodada. Imagen: imec / UHasselt

Aún falta una aceptación más amplia de la tecnología fotovoltaica bifacial en toda la cadena de valor solar, incluidas las instituciones financieras. Por un lado, los proyectos fotovoltaicos generalmente se construyen durante 30 años y se necesita una gran inyección financiera por adelantado. Por otro lado, aún se requieren más esfuerzos de I + D para mejorar el rendimiento y la confiabilidad de los módulos solares fotovoltaicos bifaciales con una caracterización personalizada y pruebas de confiabilidad. Avanzar en el conocimiento de los mecanismos de falla y cómo mitigarlos es una parte esencial para llevar la tecnología solar bifacial a su máximo potencial.

“En términos de confiabilidad, PID [degradación inducida por potencial] es uno de los principales desafíos que enfrenta la tecnología bifacial”, dice Eszter Voroshazi, gerente de I + D de tecnologías fotovoltaicas y equipos de sistemas en imec. La organización de investigación belga-holandesa recibió recientemente un impulso a su investigación bifacial a través de una colaboración reforzada con el fabricante líder mundial de tecnología bifacial TOPCon tipo n, Jolywood.

“Un panel fotovoltaico puede parecer intacto por fuera, pero el impacto de la migración de iones minúsculos en el interior es enorme”, dice Voroshazi. “Puede destruir un sistema completo en unos pocos meses si se activa una migración rápida. En grandes plantas fotovoltaicas con cadenas largas, los mecanismos pueden progresar lo suficientemente lento como para dificultar la detección correcta durante años, lo que provoca una pérdida significativa de rendimiento y de ingresos «.

Voroshazi agrega que la detección de PID en matrices bifaciales es crucial para evitar tales pérdidas. “Se necesitan procedimientos avanzados de pruebas e imágenes de campo para detectar el proceso. Además, no basta con acumular conocimientos académicos sobre el tema. Para proponer soluciones relevantes, también es necesario tener en cuenta los requisitos industriales y las condiciones límite «.

Crecimiento bifacial

La tecnología fotovoltaica bifacial ha despertado un interés considerable a lo largo de los años porque promete un alto rendimiento energético. Las células bifaciales absorben entre un 5 y un 20% más de luz porque también recogen la luz de la parte trasera y la tecnología podría integrarse en las líneas de producción existentes. Recientemente, la energía fotovoltaica bifacial se ha abierto camino hacia el mercado y los usuarios finales, y está ganando cuota rápidamente. Integradas en módulos, las células bifaciales se están instalando en plantas de energía a gran escala y en tejados donde es posible la reflexión de la luz desde la parte trasera.

Sin embargo, para una adopción generalizada, la PID en aplicaciones solares bifaciales debe entenderse mejor. Se ha demostrado que PID induce importantes problemas de confiabilidad e incluso fallas en celdas bifaciales, módulos e instalaciones. Surge de los altos voltajes del sistema que promueven la deriva de iones (principalmente sodio) hacia la célula solar. Estos iones interrumpen el correcto funcionamiento de las células solares y provocan una pérdida en la eficiencia de conversión. Con voltajes del sistema fotovoltaico de hasta 1500 V que ingresan a la corriente principal, el PID se vuelve aún más crítico (consulte el diagrama a continuación).

La ocurrencia de este modo de falla depende no solo de la magnitud, sino también de la polaridad del campo eléctrico. Es por eso que los módulos fotovoltaicos en una matriz ubicada en el polo positivo de la cadena no se ven afectados por PID, ya que el sodio se aleja de la celda solar. La degradación comienza alrededor del perímetro en el polo negativo y se extiende gradualmente más lejos del marco de los módulos fotovoltaicos.

Aunque la EPI también ocurre en células monofaciales, causa más daño en las células bifaciales en envases de vidrio / vidrio, ya que el mecanismo puede activarse desde ambos lados. Las arquitecturas de dispositivos más intrincadas con capas más delgadas también parecen ser más sensibles a él, lo que sugiere una investigación crítica en el campo de TOPCon y otros tipos de células avanzadas.

Pruebas en profundidad

Imec, junto con EnergyVille / UHasselt, ha acumulado una vasta experiencia en la comprensión de la física detrás de PID y en la realización de pruebas en profundidad. Un ejemplo es el origen de los iones. Investigaciones anteriores mostraron que un tipo particular de PID («PID del tipo de derivación», PID-s) es causado por iones de sodio que se difunden en fallas de apilamiento de silicio y desvían la celda. Sin embargo, la fuente del sodio aún no está clara. Puede provenir de la cubierta de vidrio de cal sodada (SLG) del módulo fotovoltaico o ya podría estar presente en la superficie de la célula solar incluso antes del proceso de laminación.

Basado en una matriz de prueba completa, los resultados muestran que la cubierta frontal SLG mejora significativamente el progreso de PID. De hecho, las muestras sin una cubierta frontal SLG no mostraron ninguna degradación después de más de 300 horas de estrés PID. Esto confirma la hipótesis de que la SLG es de hecho la fuente del sodio.

Otro ejemplo se centra en el origen físico del PID bifacial en las células fotovoltaicas solares p-PERC bifaciales, ya que el comportamiento de degradación no parece coincidir con un solo mecanismo. De hecho, los resultados demostraron una combinación de PID-s y PID-p («PID del tipo de polarización»). Este último es una degradación temporal y reversible de la capa de pasivación, que reduce el rendimiento debido a un aumento de la recombinación de la superficie. Además, los investigadores también pudieron extraer firmas específicas para ambos mecanismos de degradación en las mediciones de IV (corriente-voltaje) y EQE (eficiencia cuántica externa) (ver diagrama a continuación).

Estándar de prueba

Los resultados de las pruebas y los protocolos de prueba se investigan continuamente en la investigación de confiabilidad fotovoltaica. Un método de prueba para PID está estandarizado en la directriz IEC TS 62804-1. En la denominada prueba de lámina, se aplica un voltaje de 1000 V a 1500 V entre la matriz de la célula solar y una lámina conductora que entra en contacto con la superficie de vidrio del módulo. Luego, el módulo se coloca en una cámara climática con calor húmedo para imitar las duras condiciones operativas que enfrentará en el campo.

Una práctica común es aplicar tensión PID monofacial en módulos fotovoltaicos bifaciales aplicando la lámina en un solo lado del módulo fotovoltaico. Se ha demostrado anteriormente que las células solares bifaciales bajo estrés PID monofacial del lado trasero muestran el mismo comportamiento de degradación que bajo estrés PID monofacial del lado frontal, y por lo tanto el consenso es que el mecanismo de degradación es el mismo y que el lado estresante es de menor importancia. importancia. Sin embargo, una investigación reciente en EnergyVille (imec / UHasselt) muestra que el método de la lámina no se puede llevar a cabo en un solo lado de los módulos bifaciales sin tomar medidas adicionales. Jorne Carolus, investigador postdoctoral en EnergyVille / UHasselt, señala que el rendimiento de la célula disminuyó repentinamente en el lado no estresado cuando se aplicó estrés PID monofacial en módulos fotovoltaicos bifaciales (ver diagrama arriba a la izquierda).

“Las pruebas de PID dieron como resultado un desarrollo involuntario de un campo eléctrico entre la cámara climática y el lado no estresado de la celda solar”, dice Carolus. “El campo eléctrico provocó que cargas positivas migraran hacia la celda solar e interfirieran con su correcto funcionamiento.

“Luego propusimos metodologías de prueba adaptadas y puntos de atención para usar métodos del estándar IEC cuando los módulos fotovoltaicos bifaciales están sometidos a una tensión PID monofacial. Las medidas preventivas incluyen acortar el lado no tensionado del vidrio / laminado de vidrio con la celda solar, usar una fuente flotante de alto voltaje o reemplazar la cubierta de vidrio con una cubierta resistente a PID en el lado no tensionado «.

Solución PID

Resolver problemas de PID y optimizar PV bifacial requiere un pensamiento a nivel de sistema. Primero, todo el sistema debe optimizarse para una aplicación. Los paneles solares para tejados no tienen los mismos requisitos que los destinados a una central eléctrica. En segundo lugar, para resolver problemas de confiabilidad en múltiples niveles, es necesario crear múltiples barreras contra los mecanismos de falla. De esa manera, cuando un elemento no funciona como se esperaba en el campo, otro elemento puede brindar protección en un sistema verdaderamente robusto.

Hasta ahora, se han propuesto diferentes soluciones PID a diferentes niveles. A nivel celular, el recubrimiento antirreflectante (ARC) juega un papel esencial en la sensibilidad de PID. Al ajustar la conductividad de esta capa durante el proceso de producción, la célula solar se vuelve menos susceptible a la PID.

A nivel de módulo, existen y se están optimizando materiales alternativos que hacen que los módulos fotovoltaicos sean resistentes a PID (o “libres de PID”). Los materiales como los materiales de encapsulación sin PID o el vidrio de aluminosilicato limitan la movilidad del sodio hacia la célula solar. A nivel del sistema, con un esquema de conexión a tierra diferente, el campo eléctrico puede promover la migración de los iones fuera de la celda solar. Por último, los optimizadores de energía o los inversores a nivel de módulo evitan una gran acumulación de voltaje entre la matriz de la célula solar y el marco del módulo conectado a tierra, lo que permite reducir los voltajes de funcionamiento a nivel del módulo.

A pesar de lo prometedoras que son estas medidas, Carolus señala que no se pueden aplicar a matrices bifaciales donde la PID ya está presente. “En ese caso, se pueden investigar las técnicas de recuperación”, dice Carolus. “Una solución ya comercializada es colocar la matriz de células solares en un sesgo positivo con respecto al marco del módulo fotovoltaico durante la noche. Esto hace que los iones se difundan fuera de la célula, cancelando su efecto dañino. Sin embargo, la reversibilidad depende en gran medida del nivel de PID. Demostramos que la degradación es irreversible cuando la pérdida de rendimiento supera el 85% (consulte el gráfico en la parte inferior izquierda) ”. Dado esto, la detección temprana de PID, advierte Carolus, es crucial.

La fuerza de los modelos de confiabilidad basados ​​en la física radica en su valor predictivo. La dependencia del voltaje, la temperatura y la humedad del mecanismo de falla del PID se puede integrar en una extensión importante del marco de rendimiento basado en la física de imec. La simulación predictiva y física de la progresión del PID considera el material del módulo, las propiedades del dispositivo y las condiciones climáticas. Esta será una herramienta esencial para los productores de módulos y los desarrolladores de materiales, así como para los diseñadores de sistemas fotovoltaicos, las empresas de EPC y O&M. Permitirá una predicción más precisa del valor económico residual de las plantas fotovoltaicas que ya están en el campo.

Materiales novedosos

Aunque las pruebas PID ocupan la mayor parte de los estudios de confiabilidad, imec también trabaja en la nueva metalización de interconexiones, específicamente en aleaciones de soldadura de baja temperatura. Los materiales de soldadura de interconexión actuales están basados ​​en plomo y requieren un proceso de soldadura por encima de 180 ° C. Imec está desarrollando tecnologías de interconexión de múltiples cables con una aleación de soldadura sin plomo a baja temperatura, para lo cual también está diseñando pruebas de confiabilidad adaptadas.

La nueva aleación tiene varias ventajas. Una soldadura a temperatura más baja es compatible con un conjunto completamente nuevo de materiales, como dispositivos de heterounión, película delgada y células solares en tándem. No tener que utilizar un material tóxico como el plomo también es una solución más sostenible. Finalmente, debido a que se puede soldar a temperaturas tan bajas, la soldadura y la laminación se pueden completar en un solo paso del proceso.

“Aprovechamos la vasta experiencia de imec en soldaduras sin plomo para ensamblaje de componentes electrónicos, así como la experiencia en la realización de FMEA [análisis de efectos y modos de falla] para identificar puntos débiles de confiabilidad críticos y métodos específicamente adaptados”, concluye Voroshazi. “[Para] acelerar la aceptación y la confianza en las nuevas tecnologías fotovoltaicas, creemos que adaptar continuamente nuestro enfoque de pruebas de confiabilidad y calidad es clave. Dado que se prevé que la energía fotovoltaica se convierta en uno de los pilares principales de nuestro futuro sistema energético, la fiabilidad no es una cuestión de tecnología, sino también de un suministro seguro «.

Sobre el Autor

Michaël Daenen recibió su maestría en física aplicada de la Universidad Tecnológica de Eindhoven. En 2008, obtuvo un Ph.D. en física de materiales de la Universidad Hasselt sobre el tema de la síntesis y caracterización de diamantes nanocristalinos. Desde 2014, ha trabajado como profesor asistente de tecnología de ingeniería en la Universidad de Hasselt. Su grupo de investigación, Energy Systems Engineering (ESE), se centra en la fiabilidad de los módulos solares fotovoltaicos y los sistemas fotovoltaicos.

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