Studie av korrelasjon mellom fotoluminescens og IV-kurver i solcellemoduler

Abstract

For å opprettholde maksimal effektproduksjon fra solcelleanlegg er det avgjørende med overvåkning av skader og degradering på modulnivå. Bildeanalyse muliggjør overvåkning av enkeltmoduler i større solparker uten å forstyrre energiproduksjonen til den enkelte modulen. Denne masteroppgaven er en del av et større forskningsprosjekt som undersøker om fotoluminescens (PL) kan benyttes til et slikt formål.

Innsamling av data er utført over flere år for totalt 8 silisiumsolceller av typene multikrystallinsk, monokrystallinsk og bifacial moduler med varierende skadeomfang. Det er foretatt målinger av IV-karakteristikk og PL-signal for å studere om disse korrelerer. PL-bilder viser intensiteten på PL-signal fra modulen, som består av emitterte fotoner fra radiativ rekombinasjon. Siden graden av radiativ rekombinasjon avhenger av om fotogenererte ladningsbærere utnyttes i kretsen eller ikke, kan PL-bildene analyseres for friske og defekte områder i modulen.

PL-avbildningen er foretatt i direkte sollys, som krever bildebehandling for å fjerne støy i form av refleksjon. Dette oppnås ved avbilding i to forskjellige driftstilstander med ulik PL-intenstitet, eksempelvis åpen og lukket krets. Det benyttes en MOSFET for hurtig veksling mellom driftspunktene. Bildene med svakt PL-signal trekkes fra bildene med sterkt PL-signal slik at resultatet (∆PL-bilder) kun består av PL-signalet emittert fra modulen. ∆PL-bildene normaliseres og IV-karakteristikken korrigeres til standard testforhold (STC) for å muliggjøre sammenlikning mellom målinger foretatt ved ulike forhold.

Resultatene tyder på sterk korrelasjon mellom ∆PL-bilder og IV-karakteristikk. For tilsynelatende friske moduler er IV-karakteristikken tilnærmet nominell kurve og ∆PL-bildene viser ingen åpenbare effektreduserende skader. For moduler hvor IV-karakteristikken viser tydelige effekttap underbygges dette ved analyse av ∆PL-bildene som viser tydelige sprekker. For moduler med totalknust modulglass tyder IV-karakteristikken på flere ødelagte celler, noe som også underbygges av ∆PL-bildene.

A crucial part of obtaining maximum power production of big solar cell systems is to detect the development of degradation at module level. Image analysis enables monitoring of individual modules in larger solar parks without disturbing the energy production or having to connect to each individual module. This master’s thesis is part of a larger project at NMBU with the aim of using photoluminescence for this purpose.

Data collection has been carried out over a period of 4 years for a total of 8 silicon solar modules – four multi crystalline, two mono crystalline, and two bifacial modules. IV characteristic measurements and photoluminescence (PL) imaging have been performed to study the correlation between them. PL images display the intensity of emitted PL signal from a module, which consists of photons emitted due to radiative recombination. The amount of radiative recombination in a solar cell depends on the amount of current extracted, and PL images can therefore be used to analyze faults and degradation of modules. The PL images are acquired in direct sunlight, which requires image processing to remove noise in the form of reflection. This is achieved by photographing the modules at two different operating points with different PL-intensities - open and short circuit. Fast switching between these operating points is achieved by using a MOSFET. To remove the reflection from the images, images with a weak PL signal are subtracted from the images with a strong PL signal so that the result (∆PL images) only display PL signal emitted from the module. The ∆PL images are normalized and the IV characteristic is corrected to standard test conditions (STC) to enable comparison between measurements taken in different conditions.

The results suggest a strong correlation between the ∆PL images and IV characteristics. For seemingly healthy modules, the IV characteristics resemble the nominal curve and the ∆PL images display no obvious power-reducing damage. In modules where the IV characteristic show obvious power losses, the ∆PL-images substantiate faulty solar cells with obvious cracks. For modules where visual inspection shows a broken module glass, the IV characteristic suggests several broken cells.