Studie av elektroluminescens og strømspenningskurver for å undersøke defektutvikling i solcellemoduler

Abstract

Behovet for overvåkning av solcellemoduler er helt sentralt for maksimering av effektproduksjon, samt levetiden til en solcelle. I løpet av levetiden til en solcellemodul, vil ulike defekter og degraderinger forekomme i varierende grad. Sprekkdannelser i halvledermaterialet i løpet av produksjon, transport og montering, samt den resterende levetiden til en solcelle, er et kjent problem i solcelleindustrien. I forbindelse med hvilken grad fenomenet påvirker ytelsen og karakteristikken til en solcellemodul, er det derimot store uenigheter. For å undersøke sammenhengen mellom ytelsesendring og romlig informasjon tilknyttet oppståtte moduldefekter, kombinerer denne oppgaven bruken av elektroluminescens (EL)-avbildning og gjennomføring av strøm-spennings (IV)-kurvemålinger. Et kamera som detekterer fotoner med bølgelengder i den kortbølgede infrarøde (SWIR) delen av bølgelengdespekteret benyttes for å avbilde EL-signalet fra fire multikrystallinsk silisium (mc-Si) solcellemoduler. De resulterende EL-bildene avslører den romlige fordelingen av eventuelle moduldefekter. Formålet med oppgaven er å se på to ulike påførte skader på to separate solcellemoduler, og hvordan disse utvikler seg i løpet av tidsrommet satt av til oppgaven. Resultater settes i sammenheng med tidligere gjennomførte studier innen fagområdet, med hensikt om å bringe forskningen nærmere en konklusjon angående hvilken betydning sprekkdannelser har på effektproduksjon.

Resultater for den mest skadede solcellemodulen, navngitt Multi4, viser en tydelig sammenheng mellom elektrisk isolerte områder, grunnet sprekkdannelser parallelt med modulens samleskinner, og redusert effektproduksjon. Funnet støtter oppunder tidligere gjennomført forskning som trekker frem parallelle sprekker som dominerende, har høy sannsynlighet for å resultere i elektrisk isolerte celleområder, samt gir økt sannsynlighet for degradering. Modulen inneholder en sprekk vinkelrett på flere samleskinner som ikke påvirker effektiviteten til modulen, og viser at ikke alle sprekkdannelser har en signifikant påvirkning på modulytelsen. Etter to gjennomførte forsøk på å skade modulen navngitt Multi3, registreres ingen endringer i modulens ytelse. Til tross for uendret ytelse detekteres små intensitetsendringer i EL-signal etter andre skadepåføring. De svake intensitetsendringene viser at sprekkdannelser parallelt med samleskinnene forekommer oftest, noe som stemmer godt overens med resultater for modulen navngitt Multi4. Resultater for de to modulene sett i sammenheng med referansemodulene viser at alvorlighetsgraden til en defekt er med på å avgjøre hvor hurtig en eventuell, gradvis degradering forekommer. Å kombinere EL-avbildning med IV-kurvemålinger har vist at enkelte skader kan detekteres kun ved å undersøke modulens IV-kurve. Dette åpner for den potensielle muligheten om å kun benytte seg av IV-kurvemålinger for både informasjon vedrørende ytelse og ytelsesbegrensende faktorer i fremtiden.

The need for monitoring of solar cell modules is a central aspect to maximize power production, as well as the module lifetime. During the lifetime of a photovoltaic module, various defects and degradations will occur. A well-known problem in the solar cell industry is the formation of cracks in the semiconductor material during production, transport and assembly, as well as the remaining life of the module. However, there are major disagreements regarding which degree the phenomenon affects the performance and characteristics of the module. To investigate the relationship between module performance and the spatial information associated with module defects, this thesis combines the use of electroluminescence (EL) imaging and current-voltage (IV) curve measurements. A camera detecting photons with wavelengths in the shortwave infrared (SWIR) part of the electromagnetic spectrum is used to detect the EL signal from four multicrystalline Silicon (mc-Si) modules. The resulting EL images reveal the spatial distribution of any modular defects. The purpose of the thesis is to investigate two differently applied damages in two separate solar cell modules, and how these develop during the time of the thesis. With the intention of bringing the research closer to a conclusion regarding the significance of crack formation on power production, the results are studied in context with previous studies. Results for the most damaged photovoltaic module, named Multi4, show a clear connection between electrically isolated areas due to the formation of cracks parallel to the busbars, and reduced power production. The finding supports previously conducted research that highlights cracks parallel to busbars as dominant, has a high probability of resulting in electrically isolated cell areas, and increase the probability of degradation. Since the module contains a crack perpendicular to several busbars that does not affect the efficiency of the module, it shows that not all crack formations have a significant impact on module performance. After two attempts to damage the module named Multi3, no chances are detected in the module’s performance. Despite the unchanged performance, some small chances in EL signal are detected after applying damage for the second time. The slight change in intensity show that the formation of cracks parallel to busbars occur most often. This agrees well with the results for the module named Multi4. By looking at the results for the two modules in context with the reference modules, it is shown that the severity of a defect helps to determine how fast a gradual degradation occurs. Combining EL imaging with IV-curve measurements has shown that some damage can be detected just by examining the IV curve of the module. This opens the possibility of only needing to use IV curve measurements to gain information regarding both the performance and the factors reducing the module’s performance in the future.