Laboratorní testování odhalilo, že některé negativně dopované solární moduly typu „n“ s pasivovanými tunelovými oxidy (TOPCon) a heteropřechody (HJT) jsou náchylné k poškození a degradaci způsobené ultrafialovým (UV) světlem. To by mohlo znamenat potíže, pokud moduly v poli začnou vykazovat ztrátu výkonu související s UV zářením. Výrobci implementují řešení na úrovni článků a modulů.
Výsledky zkušebních laboratoří FV v roce 2024 vyvolaly obavy z degradace vyvolané ultrafialovým zářením (UVID) u některých panelů TOPCon a HJT typu n. „Zpráva o indexu FV modulů“ od Testovacího centra obnovitelné energie (RETC) uvádí, že 40 % testovaných modulů vykazovalo po UV testování nejméně 5 % ztrátu výkonu.
Laboratoř Kiwa PVEL, rovněž v Kalifornii, provedla UV testování při expozici 120 kWh/m² – navržené tak, aby se v terénu opakovalo šest měsíců až dva roky v závislosti na místě. A u některých TOPCon typu n zaznamenala až 16,6 % ztrátu výkonu. Viceprezident pro prodej a marketing laboratoře, Tristan Erion-Lorico, řekl, že u modulu, který měl, by se očekávala 16,6 % ztráta výkonu na základě typických záruk výkonu zaručujících maximální ztrátu výkonu 1 % po prvním roce a 0,4 % poté. Nasazena již po dobu 40 let.
Testovací programy také našly spoustu modulů, které byly odolnější vůči UVID. Z těch, které testovala společnost RETC, 40 % zaznamenalo méně než 2 % ztrátu výkonu. A přibližně polovina modulů zahrnutých do ukazatele spolehlivosti fotovoltaických modulů Kiwa PVEL zaznamenala méně než 3 % ztrátu výkonu. Tyto výsledky však jistě zaručují bližší pohled na degradaci fotovoltaických modulů způsobenou ultrafialovým světlem, na mechanismy, které ji způsobují. A taky na to, jak se jí nejlépe vyhnout.
UV testování
UV testování bylo dlouho standardem a ztráta výkonu v důsledku zhnědnutí zapouzdřovací hmoty nebo pásky používané k udržení článků na místě byla běžným jevem u starších generací fotovoltaických modulů. Tento problém se rychle vyřešil dodavateli zapouzdřovacích materiálů.
Vzhledem k tomu, že se poté u několika modulů potýkaly s problémy souvisejícími s UV zářením, zaměření testování se přesunulo na to, co bylo v té době naléhavější, jako jsou problémy způsobené světlem a potenciálně vyvolané degradace. Normy pro solární moduly Mezinárodní elektrotechnické komise (IEC) specifikují pouze 15 kWh/m² vystavení UV záření, aby vyřadily ty nejslabší.
UVID je však zpět s novějšími zařízeními vyráběnými pomocí tenkých nanesených vrstev více materiálů. A ty zřejmě činí moduly TOPCon a HJT citlivými.
,,Zpětná vazba, kterou jsme získali od výzkumné komunity, naznačuje, že pro tyto jemnější buněčné struktury se UV stává důležitějším faktorem,“ řekl Erion-Lorico. ,,Bylo znovu zavedeno do rozšířených testů spolehlivosti, včetně PQP Kiwa PVEL.“
Laboratorní testování
Vyvinutí zrychlených testů, které přesně předpovídají, jak UV světlo ovlivní FV moduly po dobu 30 let v terénu, představuje významnou výzvu. Testy se v současnosti mohou zrychlit asi pětinásobně. Což znamená, že jeden celý rok v UV testovací komoře by podle odhadů Erion-Lorico představoval pět let instalovaných v terénu. „Je těžké urychlit UV testování mnohem více, než již děláme. A přesto mít výsledky reprezentativní pro provozní podmínky modulu,“ vysvětlil.
Další složitost také pochází z velmi rozdílných úrovní vystavení modulům UV záření v závislosti na tom, kde jsou instalovány. Údaje z Middle East Solar Industry Association naznačují, že modul instalovaný v Dubaji je vystaven 5,4krát vyššímu UV záření než modul instalovaný například v Berlíně.
Generální ředitel RETC Cherif Kedir na webináři v září 2024 řekl, že degradace UV zářením je kumulativní účinek. A i když testování ukázalo, že modul je náchylný k poškození UV zářením, je zapotřebí dlouhodobější pozorování. Zejména proto, aby se ukázal postup v čase.
„Snažíme se provádět dlouhodobé vystavení UV záření, abychom zjistili, zda fotovoltaický modul každým rokem stále degraduje,“ řekl Kedir. A dodal, že další neznámou je, zda by i nízká úroveň UV degradace mohla spustit další slabiny nebo degradační mechanismy. ,,Toto všechno jsou problémy, které průmysl nezná a probíhá mnoho výzkumů.“
Mechanismy a zmírňování UV poškození
Archana Sinha, nyní vedoucí inženýr ve společnosti Kiwa PVEL, již několik let zkoumá účinky UV záření na solární články. ,,Určitě existuje několik degradačních mechanismů,“ řekl. ,,Některé jsou pravděpodobně silnější než jiné. A některé mohou být částečně reverzibilní.“
Práce Sinhy a dalších výzkumníků odhalila tři hlavní degradační mechanismy řízené ultrafialovým světlem. Ty souvisí se složitostí buněčné struktury a zapouzdřením modulů. Sinha vysvětlil, že náchylnost k UVID souvisí s materiálem a tloušťkou různých vrstev v solárním článku. Tenčí vrstvy a některé materiály, jako je nitrid křemíku, s indexem lomu menším než 2,29, vykazují zvýšenou UV transparentnost.
To znamená, že propouštějí více světla a více UV. Jakmile jsou UV fotony s krátkou vlnovou délkou uvnitř buňky, mají dostatečnou energii k přerušení chemické vazby mezi křemíkem a vodíkem. Což poškozuje pasivaci buňky a snižuje účinnost zařízení. Svou roli hraje i kvalita samotné buňky. ,,Pokud má v základní vrstvě více defektních stavů, může to urychlit degradaci,“ řekl Sinha.
Možnosti
Pokud jde o snížení účinků těchto mechanismů, existují tři možné cesty. První dvě metody se týkají zabránění tomu, aby se UV fotony dostaly do buňky. A to buď prostřednictvím skla modulu s nízkou propustností UV záření, nebo pomocí zapouzdřovacích materiálů přizpůsobených tak, aby blokovaly UV. A nebo „posuly“ UV fotony směrem dolů k viditelnému světlu. Třetí možností je připravit slabinu z buňky samotné.
Čínský dodavatel zapouzdřování Cybrid Technologies vyvinul zapouzdřovací prostředek zmírňující UV záření pro moduly HJT, fólii pro konverzi světla (LCF). Tu uvedl na trh v roce 2023 a nazývá ji Raybo. Film vytváří vrstvu mezi sklem a modulem. Ta tak může absorbovat UV fotony a emitovat méně škodlivé modré světlo ve viditelném spektru.
Výrobce modulů Huasun používá LCF ve svých nejnovějších modulech HJT a zaznamenal dodatečné náklady. Ty společnost Cybrid odhaduje na zhruba 12 Kč/m2 vyšší než u standardního zapouzdřovacího materiálu. Což do značné míry kompenzuje zvýšená efektivita konverze. „V tuto chvíli nevidíme mechanismy zmírňování na úrovni buněk, které by měly významný dopad,“ řekl Christian Comes, ředitel business development Europe ve společnosti Huasun. ,,Pokračujeme ve vyšetřování. Avšak LCF prokázal dlouhou životnost a velmi dobré zmírnění účinků UV záření na buňku. Proto se v tuto chvíli jeví naší hlavní strategií zajistit spolehlivost a odolnost proti poškození UV zářením.“
Zástupce společnosti Cybrid uvedl, že společnost také pracuje na řešení LCF pro články TOPCon. Zástupce řekl, že to vyžaduje trochu jiný recept na zapouzdření. A to proto, protože články TOPCon jsou citlivější na korozi a zákazníci TOPCon mají tendenci být citlivější na náklady.
Řešení UV záření na úrovni buněk
Zdá se, že výrobci TOPConu mají více příležitostí řešit problém na úrovni buněk, a to se jeví také jako přístup, který preferují odborníci na testování modulů. ,,Opravit problémy v základní příčině se zdá vždy lepší a vždy levnější, protože film zvyšuje náklady,“ řekl Kedir z RETC.
Během stejného webináře produktový manažer Trinasolar Ling Zhuang poznamenal, že moduly Vertex TOPCon společnosti zaznamenaly snížení výkonu o 1,44 % na přední straně a 1,06 % na zadní straně. A to poté, co prošly UV testovacím protokolem RETC, kdy byl modul vystaven UV záření při 220 kWh/m². Při dalším testování schváleném Čínským všeobecným certifikačním střediskem se mohou moduly vystavit UV záření o síle 300 kWh/m² a zaznamenat tak 1,64 % snížení výkonu na přední straně a 1,26 % na zadní straně. Zhuang poznamenal, že po UV testovacím cyklu modul také prošel testy izolace a mokrého svodového proudu.
Buněčný proces
Zhuang klade tento silný výkon na pečlivý návrh procesu, řízení a monitorování během výroby článků vysvětlil tak, že pasivační struktura Triny zajišťuje nízkou sebeabsorpci. A udržuje tak UV fotony mimo místa, kde by mohly způsobit poškození. Využívá také pečlivé měření ke kontrole tloušťky pasivační vrstvy. Zhuang vysvětlil, že zatímco někteří výrobci počítají pomocí průměrné tloušťky filmu na buňku, Trina provádí výpočet na základě tloušťky naměřené v několika vybraných bodech každé buňky. Čímž zajišťuje lepší jednotnost. Dodal, že pečlivé sledování buněčných procesů je klíčem k odhalení potenciálních problémů ve výrobě dříve, než ovlivní velký počet zařízení. „Použili jsme inteligentní správu informací… abychom monitorovali celý proces a identifikovali potenciální výzvy,“ řekl Zhuang.
Průmysloví experti se shodují, že ačkoli UVID lze kontrolovat během výrobního procesu, ne všichni výrobci solárních zařízení postupují tak pečlivě. „Vidíme řadu výsledků testů a rozhodně to není tak, že by TOPCon nebyl spolehlivý,“ řekl Erion-Lorico z Kiwa-PVEL. ,,Ale výrobci a jejich zákazníci si musí být vědomi tohoto rizika.“
Cesta k obnově
Výzkumníci pozorovali, že když se solární články umístí za určitých podmínek, mohou obnovit část výkonu ztraceného UVID. Více práce na tomto by mohlo pomoci vytvořit řešení pro moduly, které již opustily továrnu.
„Pokud dokážeme vyvinout strategie obnovy, které pomohou tyto problémy zmírnit, poskytneme tuto zpětnou vazbu jak upstreamovým, tak následným partnerům,“ řekl Sinha.
Studie z roku 2024 německého výzkumného institutu Fraunhofer ISE uvádí určité zotavení z UVID po testování zmrazováním vlhkosti. Kiwa PVEL obdržel grant od konsorcia DuraMAT Consortium amerického ministerstva energetiky na dvouletou studii UVID. A to včetně získání více informací o možných mechanismech obnovy.
,,Myslím, že uvidíme nějaké mechanismy obnovy, které můžete použít v terénu. Avšak určitě budou jiné tam, kde se buňka degradovala a nemůžete změnit to, co bylo poškozeno,“ řekl Erion-Lorico.
Zdroj: pv-magazine, Vapol
