Visualisering og kvantifisering av PID i solcellemoduler ved hjelp av PL-avbildning i dagslys

Abstract

Denne masteroppgaven har som formål å undersøke hvilke faktorer som kan bidra til klarest mulig visualisering av potensial-indusert degradering (PID) i fotoluminescensbilder (PL-bilder) av solcellemoduler, hvor bildene er tatt utendørs i dagslys. Det er også ønskelig å undersøke om det er mulig å observere noen kvantitative kjennetegn ved degraderingen, hvor den anvendte metoden kan bidra til at man enkelt kan skille mellom modulen påvirket av PID og den friske modulen. Det skal vurderes om disse kjennetegnene kan generaliseres til å gjelde flere moduler enn de som undersøkes i studien, og om metoden dermed kan anvendes på et større kvantum av moduler, enn det antallet som undersøkes i studien.

I denne studien analyseres det bilder av to moduler, der den ene er påvirket av PID, og den andre er uten kjente defekter. Bildene tas mens inverteren utfører en IV-kurveskanning av modulene, og de opererer mellom ulike strømnivåer, slik som åpen krets, maksimalt effektpunkt og kortslutning. Avhengig av hvilken strøm modulene opererer med, sender de ut et fotoluminescenssignal (PL-signal) med ulik styrke, som er med på å avgjøre bildekvaliteten. Siden bildene tas ute i dagslys, kan dog den konstante refleksjonen fra sola forstyrre PL-signalet og forringe bildekvaliteten. For å eliminere refleksjonen fra bildene, subtraheres to bilder på to ulike nivåer fra hverandre. På denne måten produseres det et delta PL-bilde (heretter: dPL-bilde) som ikke er forstyrret av refleksjon fra sola, og hvor dPL-signalet gjenstår.

Etter at delta PL-bildene er produsert, undersøkes det visuelt hvilken innvirkning de ulike strømnivåene har på dPL-bildene. Resultatene viser at bildekvaliteten er høyest, og visualiseringen av PID er tydeligst, i dPL-bilder som er produsert mellom nivåer med en strømdifferanse på større enn 9 A. Ved å ta gjennomsnittet av et ulikt antall bilder på hvert nivå i produksjonen av et dPL-bilde, observeres det også at bildekvaliteten er høyere når man tar et gjennomsnitt av ti bilder på hvert nivå, istedenfor av fire bilder eller ett bilde på hvert nivå. Bildekvaliteten er også høyere når det tas bilder med en kamerafrekvens på 480 fps, sammenliknet med 120 fps. Dette gjenspeiler seg i visualiseringen av PID ved at det karakteristiske mønsteret, som oppstår på grunn av degraderingen, kommer tydelig frem. Resultatene viser at de dPL-bildene som tolkes å ha høyest kvalitet, også har de høyeste gjennomsnittlige signal til støy-forholdene, noe som kan støtte opp under funnene fra studien.

For å kvantifisere mengden degradering i modulen påvirket av PID, samt observere om det er noen karakteristiske forskjeller mellom denne modulen og den friske modulen, analyseres det emitterte dPL-signalet fra begge modulene. Resultatene viser at i modulen påvirket av PID emitterer den svakeste cellen omtrent 25 til 32 % av det den sterkeste cellen emitterer. I den friske modulen emitterer den svakeste cellen omtrent 55 til 58 % av det den sterkeste cellen emitterer. Dette utgjør en differanse på 26-30 % mellom modulene. Styrken på dPL-signalene kan gjenkjennes i bildene som størrelsen på de gjennomsnittlige pikselintensitetene, også kalt dPL-verdier. Ved å lage et histogram av de gjennomsnittlige pikselintensitetene til alle pikslene i begge modulene, kan det observeres at intensitetsfordelingen til pikslene i den friske modulen er normalfordelt, mens det er større variasjoner i intensitetsfordelingen til pikslene i modulen påvirket av PID. Dette kan også observeres i et kumulativt histogram, som viser hvor stor andel av alle pikslene som har en dPL-verdi lavere enn den maksimale mulige dPL-verdien i bildet. Her viser resultatene at omtrent 60 % av pikslene i modulen påvirket av PID har en dPL-verdi som er lavere enn 44 % av den maksimalt mulige verdien. For den friske modulen er det kun 15 % av pikslene som har dPL-verdi lavere enn 44 % av den maksimalt mulige verdien, mens resten av pikslene har verdier som er høyere enn dette. For å avgjøre om disse karaktertrekkene og metodene kan generaliseres til å gjelde for et større kvantum moduler, må undersøkelsen utføres for flere moduler enn kun to stykk. Dersom de modulene følger samme tendenser, kan metodene anses som anvendelige for det formålet.

The purpose of this master's thesis is to investigate which factors can contribute to the clearest possible visualization of potential-induced degradation (PID) in photoluminescence images (PL images) of solar cell modules, where the images are taken outdoors in daylight. It is also desirable to investigate whether it is possible to observe quantitative characteristics of the degradation, where the method used can help to easily distinguish between modules affected by PID and healthy modules. It will be assessed whether these characteristics can be generalized to apply to other modules than those examined in the study, and whether the method thus can be applied to a larger quantity of modules.

In this study, images of two modules are analysed, where one module is affected by PID, and the other one is healthy. The images of the modules are taken while the inverter is performing an IV curve scan of the modules, and they are operating between different current levels, such as open circuit, maximum power point and short circuit. Depending on the current that the modules operate with, they will emit different strengths of the PL signal, which can be perceived by a camera. Since the pictures are taken outside in daylight, the camera will also perceive reflection from the sun. To eliminate this reflection from the images, the images are taken while the modules are operating at two different current levels, before the images are subtracted from each other. In this way, the reflection will be eliminated, as it equal in both images, and the delta PL signal will remain.

After the delta PL images (hereafter: dPL images) are produced, it is visually examined which impact the different current levels have on the dPL images. The results show that the image quality is highest, and the visualization of PID is clearest, in dPL images produced between levels with a current difference larger than 9 A. By averaging a different number of images at each level in the production of a dPL image, it is also observed that the image quality becomes higher when averaging ten images at each level, instead of four images or one image per level. The image quality is also higher when the camera frequency is set to 480 frames per second (fps), compared to 120 fps. This is reflected in the visualization of PID, where the characteristic pattern resulting from PID appears clearly in the dPL images. The results show that the images that are interpreted as having the highest quality also have the highest average signal to noise ratio, which can support the findings from the analysis.

To quantify the amount of degradation in the module affected by PID, as well as observe if there are any characteristic differences between this module and the healthy module, the emitted dPL signal from both modules is analyzed. The results show that in a module affected by PID, the weakest cell emits about 25 to 32 % of what the strongest cell emits. In a healthy module, the weakest cell emits about 55 to 58 % of what the strongest cell emits. This amounts to a difference of 26-30 % between the modules. The strength of the dPL signals can be recognized in the images as the magnitude of the pixel intensities, also called dPL values. By creating a histogram of the average pixel intensities of all pixels in both modules, it can be observed that the intensity distribution of the healthy module is normally distributed, while there are greater variations in the intensity distribution of the module damaged by PID. This can also be observed in a cumulative histogram, which shows what proportion of all pixels that have a dPL value lower than the maximum possible dPL value in the image. Here, the results show that approximately 60 % of the pixels in the module damaged with PID have a dPL value lower than 44 % of the maximum possible value. For the healthy module, only 15 % of the pixels have dPL value lower than 44 % of the maximum possible value. In order to determine whether these characteristics and methods can be generalized to apply to a larger number of modules, the analysis must be carried out for more modules than just two. If those modules follow the same tendencies, the methods can be considered applicable for that purpose.