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Bavarian Center for Applied Energy Research
Defektanalyse von Photovoltaik-Modulen mittels
Infrarot-Thermographie
4. Workshop „PV-Modultechnik“, 29./30. Nov. 2007, TÜV Rheinland, Köln
Ulrike Jahn, Claudia Buerhop, Ulrich Hoyer
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Übersicht
1. Physikalische Grundlagen
2. IR-Defektanalyse
3. IR-Messergebnisse an PV-Komponenten
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Motivation
IR-Messungen für die Fehleranalyse an Modulen: • berührungslose und zerstörungsfreie Prüfung
im Labor und im Feld;• schneller Nachweis des korrekten Betriebs
nach der Installation;• zur Detektion von Modulfehlern und Degradation
von gealterten PV-Modulen.
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1. Physikalische Grundlagen
Emissionsgrad 0 < ε < 1
gibt an, um wieviel die Abstrahlung eines realenKörpers von der eines Schwarzen Körpers abweicht.
ε = f(Wellenlänge, Temperatur, Werkstoff, Oberfläche)
Thermisches Gleichgewicht ε + τ + ρ = 1
ε = Emissionsgradτ = Transmissionsgradρ = Reflexionsgrad
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Richtwerte für die Praxis:(bei 8 µm Wellenlänge)
PV: + Glas- Metallrahmen
1. Physikalische Grundlagen
ε = 0.85
< 0,1Metall~ 0,92Kunststoff
0,85GlasεWerkstoff
ε Glas (λ) = constant für λ = 8-12µmε (Temp) = constant für ∆T<100K
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1. Physikalische Grundlagen
„Optische Fenster“ für die Praxis(1 km Luftstrecke)
Quelle: Sutor, Bischoff, TechnischeUniversität Ilmenau, 2004.
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1. Physikalische GrundlagenWinkelabhängigkeit des Emissionsgrads
Richtungsabhängigkeit der Emissionsgrads bei Leitern und Nichtleitern
- Schwarzer StrahlerKeine Abhängigkeit
- Nichtleiter (Glas)cosinus α
- Leiter (Alu)starke Abhängigkeit
Quelle: Sutor, Bischoff, Thermo-Analyse, Technische UniversitätIlmenau, 2004.
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1. Physikalische Grundlagen
Emissionsgrad in Abhängigkeit von der Wellenlänge für Materialgruppen
Bereich Bolometer
Quelle: testo, Leitfaden zur Infrarot-Messtechnik, 2005.
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2. IR-DefektanalyseTyp I Typ II
Thermische Auflösung 0,1 K 0,01 K Vollbildfrequenz 30/s 145/sPixel 76.000 110.000Detektor Bolometer CMT
(ungekühlt) (gekühlt)Arbeitsbereich 8 - 14 µm 1,9 - 5,6 µm
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2. Defektanalyse
• Einkapselungsmaterial: Glas, Tedlar, Bypass-Diode• Haftung: Glas - Folie, Zelle - Folie• Zell/Modulverbinder• Solarzelle • Feuchte
Glass
Encapsulation
Solar cellsBacksheet
Junctionbox
Edgesealent
Frame
GlassGlass
Encapsulation
Solar cellsBacksheet
Junctionbox
Edgesealent
Frame
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2. Defektanalyse
IR-Messungen an PV-Modulen:- nach Produktion- bei Inbetriebnahme- nach Alterung
PV-Modul (2005) mit „Patchwork“ Muster
∆T = 10°C
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2. DefektanalyseLeerlauf Kurzschluss Last
Outdoor-Messung: Bei >700 W/m2
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• Riss im Wafer• Metallisierung
• Gebrochene Zelle
3. Hot Spot – Riss in Solarzelle
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Lock-in-IR-Messung
3. Kontaktfinger-Unterbrechungen
156mm
Frequenz: 4Hz
Messdauer: 5000 Perioden
Bias: 6A
IR-Messung: Topographie
Frequenz: 4Hz
Messdauer: 5000 Perioden
Bias: 6A
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3. Hot Spot - Zelldefekt
PV-Anlage mit polykristallinen Modulen (2004): Hot Spot: ∆T > 40°C
Quelle: BEC-Engineering / Solarschmiede.
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3. Hot Spots
Innenwiderstand steigt: +120% Nennleistung und FF des Moduls sinkt : -12%
123141Ppk [W]4,01,8Rs [Ω]3032Upmax [V]4,14,4Ipmax [A]4444Uoc [V]4,95,0Isc [A]
Hot Spot-Modul
Referenz-Modul
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3. Zellbruch
Oben:- Glasbruch- kein Zellbruch
Unten:- Glasbruch- Zellbruch
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3. Zellbruch
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 5 10 15 20
Spannung [V]
Stro
m [A
] ReferenzmodulDefektes Modul
GI = 781 W/m2 Tmod = 41,2°C FF= 0,42
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3. Haftungsverlust
Kurzgeschlossenes Modul mit Delamination an einer Zelle
Quelle: Quintana et. al., 29th IEEE, 2002.
∆T (Zelle) > 30°C
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Kurzschluss von 18 Zellen
• erhöhte Temperatur• reduzierte Spannung• reduzierte Leistung
3. Defekte Bypass-Diode
Unter Last gemessen
Kurz-schluss Last
Kurz-schlussLast
∆T = 7°C
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3. Defekte Bypass-Diode
Uoc= 44 VIsc= 5,1 A160 WDatenblatt (STC)
1/3 aktivUoc= 15 VIsc= 4,9 A51 WMessung bei STC
0
1
2
3
4
5
6
0 10 20 30 40 50Spannung [V]
Stro
m [A
]
Intaktes ModulDefektes Modul
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Schule Erlangen
IR-Aufnahme mit MIDAS IR-Kamera bei 8 µm, 320x240 Pixel
62°C
55°C• Anschlussdosen• Aufständerung + Kabel• Defekter Substring• Defekte Einzelzelle
3. Defekter Substring
Unter Beleuchtung gemessen
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Defekte Strangherausführung zwischen 2 Laminaten
3. Defekter Verbinder
August 2007
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3. Defekter Substring
183128Ppk [W]915890Hi [W/m2]37.426.9Upmax [V]4.34.1Ipmax [A]46.734.2Uoc [V]4.634.55Isc [A]
Referenz-modul
Defektes Modul
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
2,5
3,0
3,5
4,0
4,5
5,0
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Voltage [V]
Cu
rren
t [A
]
Defective moduleReference module
Leerlaufspannung: - 27% Leistung des kurzgeschlossenen Moduls: - 30%
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Zusammenfassung
• IR auffällige Module (u.a. Zellrisse) sind nicht immer elektrisch relevant.
• Hot Spots:- Parallelwiderstand: Shunts im Emitter, Feuchteeintrag- Serienwiderstand: Verbinder, Zellrisse
• Substringausfall bedeutet Spannungsverlust (UOC): mit IR gut detektierbar.
• Heiße Zellen resultieren aus Zell-Mismatch (Patchwork).
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Schlussfolgerungen
• IR-Messungen sind geeignet für die effektive Fehlerdetektion von Defekten in Modulen und sind gut korreliert mit elektrischen Messungen.
• IR detektiert größere Leistungsverluste (>20%), die häufig mit FF-Verlusten und dem Anstiegdes Serienwiderstands verbunden sind.
• Weitere Untersuchungen an im Feld gealterten Modulen müssen durchgeführt werden, um die Degradationsmechanismen besser zu verstehen.
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Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit!