태양 광 모듈 오류 및 고장

출처 : ee.co.za

최신 태양 광 PV 장비는 제품의 전체 수명 동안 안정적인 작동을 위해 설계되었습니다. 이러한 제조에도 불구하고 제품의 성능에 영향을 줄 수있는 조기 결함 및 조기 고장이 여전히 발생합니다.

신뢰성과 품질은 최신 태양 광 PV 장비에 설계되고 내장되어 있습니다. 대량 생산 기술은 통제되지만 품질 관리가 열악하면 여전히 제품에 제조 결함이 생길 수 있으며 현장 설치 및 운송으로 인해 손상이 발생할 수 있으며, 이로 인해 제품 수명이 단축 될 수 있습니다.

태양 광 발전 시스템의 비용을 줄이는 핵심 요소 중 하나는 PV 모듈의 신뢰성과 수명을 늘리는 것입니다. 오늘날의 통계에 따르면 결정질 실리콘 PV 모듈의 정격 전력 저하율은 0.8 % / 년입니다 [1]. 현대의 제품은 더 높은 품질의 재료와 기계화 된 제조를 사용하도록 설계되었지만 가격 경쟁으로 인해 패널 제조에 더 얇고 적은 재료가 사용되었습니다. 또한 일부 제조업체는 낮은 품질의 재료를 사용하여 가격을 낮추는 것으로 되돌아 갔다는 증거가 있습니다.

패널의 조기 고장은 주요 수명주기 비용이 자본이기 때문에 PV 설치에 중요한 재정적 영향을 미칠 수 있습니다. PV 모듈 오류는 정상적인 작동으로 되 돌리지 않는 모듈 전원을 저하 시키거나 안전 문제를 발생시키는 결과입니다.

이러한 결과가 전혀없는 순수한 외관상의 문제는 PV 모듈 고장으로 간주되지 않습니다. PV 모듈 고장은 일반적으로 모듈이 경험하는 조건에서 발생할 때 보증과 관련이 있습니다 [1].

일반적으로 제품 고장은 다음 세 가지 범주로 구분됩니다.

• 유아 장애

• 중년 장애

• 마모 실패

그림 1은 PV 모듈의 이러한 세 가지 유형의 장애에 대한 예를 보여줍니다. 이러한 모듈 오류 외에도 많은 PV 모듈은 설치 직후 LID (Light-induced Power Degradation)를 나타냅니다. LID는 어쨌든 발생하는 고장 유형이며 PV 모듈의 라벨에 인쇄 된 정격 전력은 일반적으로이 고장으로 인해 예상되는 표준화 된 포화 전력 손실에 의해 조정됩니다.

그림 1 : 웨이퍼 기반 결정질 광기 전 모듈에 대한 세 가지 일반적인 고장 시나리오 [1].

LID : 빛에 의한 열화
PID : 잠재적 유도 열화
EVA : 에틸렌 비닐 아세테이트
J- 박스 : 정션 박스

고장 및 고장 발생

대부분의 설치가 최근에 이루어 졌기 때문에 공급 업체가 이러한 수치를 발표하기를 꺼려하기 때문에 전체 수명 기간 동안 사용중인 고장에 대한 자세한 연구는 제공되지 않습니다. 유아 사망률 연구, 즉 설치 실패에 대한 보고서는 설치된 모든 패널의 1 ~ 2 % 사이의 수치를 보여줍니다 [3]. 수명이 단축 된 여러 시뮬레이션 연구가 수행되었지만 제한된 수의 패널에서 수행되었습니다.

BP Solar는 Solarex c-Si 패널의 8 년 동안 실패율이 0.13 % 인 것으로보고했으며 Sandia National Laboratories는 필드 데이터를 기준으로 연간 0.5 %의 실패율을 예측했습니다 [4]. 그러나 이는 단기 초기 수명 수치이며 대규모 설치의 후기 수명 고장 수치는 없습니다.

주요 결함 및 고장

장애는 성능 및 안전 관련 장애 유형으로 나눌 수 있습니다. 안전 관련 고장은 재산상의 손해 또는 부상을 초래할 수 있습니다. 성능 관련 장애로 인해 출력 전력이 손실되거나 감소합니다.

다음 영역에서 결함이 발생합니다.

• 결정질 PV 제품의 웨이퍼 또는 셀

• 캡슐화

• 유리베이스

• 내부 배선

• 프레임 및 피팅

• 비정질 PV의 비정질 층

웨이퍼 또는 셀 결함

셀의 효율에 대한 열화는 셀 수명 동안 정상이며 열화 속도가 정상 한계를 초과하지 않는 한 결함 또는 고장으로 간주되지 않습니다. 웨이퍼 또는 셀 결함의 대부분은 웨이퍼의 균열 및 연결부 및 컨덕터의 손상일 수 있습니다. 반사 방지 코팅 (ARC) 손상 및 셀 부식으로 인해 더 작은 결함이 발생합니다. 비정질 태양 전지판의 광 유도 열화는 알려진 효과이며 반드시 고장으로 간주되지는 않습니다. 잠재적 유도 열화는 PV 시스템에 점점 더 높은 전압이 사용 된 결과로 나타나는 새로운 현상입니다.

반사 방지 코팅 박리

반사 방지 코팅 (ARC)은 빛의 포착을 증가시켜 모듈 전력 변환을 증가시킵니다. ARC 박리는 반사 방지 코팅이 셀의 실리콘 표면에서 벗겨 질 때 발생합니다. 박리가 많지 않으면 심각한 결함이 아닙니다 [2]. 연구에 따르면 ARC 특성이 PID의 원인이되는 것으로 나타났습니다.

세포 균열

PV 모듈의 균열은 어디에나 있습니다. 그것들은 모듈 수명의 다른 단계에서 개발 될 수 있습니다.

특히 제조 동안, 납땜은 전지에 높은 응력을 유발한다. 운송시 취급 및 진동은 균열을 유발하거나 확장 할 수 있습니다 [4]. 마지막으로, 현장의 모듈은 바람 (압력 및 진동) 및 눈 (압력)으로 인한 기계적 하중을 경험합니다.

다음과 같은 이유로 미세 균열이 발생하거나 악화 될 수 있습니다.

• 제조

• 수송

• 설치

• 서비스 중 스트레스 (열 및 기타)

결정질 웨이퍼는 수년에 걸쳐 크기가 증가하고 두께가 감소하여 파손 및 크랙 가능성을 높였다. 태양 전지의 균열은 피하기 어렵고 현재까지 수명 기간 동안 모듈의 효율에 미치는 영향을 정량화하는 것이 불가능하기 때문에 PV 모듈의 진정한 문제입니다. 특히, 셀의 다른 부분이 여전히 전기적으로 연결되어있는 한, 마이크로 크랙의 존재는 새로운 모듈의 전력에 거의 영향을 미치지 않을 수있다.

모듈이 노화되고 열 및 기계적 응력을 받으면 균열이 발생할 수 있습니다. 갈라진 세포 부분의 반복적 인 상대 이동은 완전히 분리되어 세포 부분을 불 활성화시킬 수있다. 이 특별한 경우 전력 손실에 대한 명확한 평가가 가능합니다. 60 셀, 230W PV 모듈의 경우 손실 된 부분이 셀 영역의 8 %보다 작 으면 셀 부분의 손실이 허용됩니다 [3].

그림 2 : 세포의 미세 균열로 인한 달팽이 추적 [1].

미세 균열은 PV 셀의 실리콘 기판의 균열이며 종종 육안으로는 볼 수 없습니다. 균열은 태양 전지에서 다른 길이와 방향으로 형성 될 수 있습니다. 생산 공정 동안 웨이퍼 슬라이싱, 셀 생산 스트링 및 매립 공정은 광전지에서 셀 크랙을 유발한다. 태양 전지의 스트링 공정은 특히 균열이 발생할 위험이 높습니다 [1].

생산 중에 세 가지 다른 미세 균열 원인이 있습니다. 각각 고유 한 발생 확률이 있습니다.

• 셀 인터커넥트 리본에서 시작하는 균열은 납땜 공정에 의해 유도 된 잔류 응력에 의해 발생합니다. 이 균열은 잔류 응력이 가장 높기 때문에 종종 커넥터의 끝 또는 시작점에 위치합니다. 이 균열 유형이 가장 빈번합니다.

• 소위 크로스 크랙은 생산 중에 웨이퍼를 누르는 기계 장치로 인해 발생합니다.

• 세포의 가장자리에서 시작하는 균열은 세포가 딱딱한 물체에 충돌하여 발생합니다.

일단 전지 균열이 태양 모듈에 존재하면, 태양 전지 모듈의 작동 중에 단세포 균열이 더 길고 넓은 균열로 발전 할 수있는 위험이 증가된다. 이는 구름이나 날씨의 변화로 인한 온도 변화로 인해 바람 또는 눈 하중으로 인한 기계적 응력과 태양 광 모듈의 열적 기계적 응력 때문입니다.

미세 균열은 다양한 기원을 가질 수 있으며, 단락 전류 및 셀 효율의 감소를 포함하는보다 심각한 영향까지 영향을받는 셀의 일부의 수율 감소 산란과 같은 다소 "부드러운"결과를 초래할 수있다. 시각적으로, 미세 균열은 세포 구조에 소위 "달팽이 흔적"형태로 나타날 수 있습니다. 그러나, 장기 충격 신호로서의 달팽이 트레일은 또한 세포 표면의 변화 및 / 또는 핫스팟을 유발하는 화학 공정의 결과 일 수 있습니다.

더 큰 균열의 균열 패턴에 따라, 열, 기계적 응력 및 습도는 영향을받는 광전지의 전력 출력 손실을 유발하는 "사망"또는 "비활성"전지 부분을 초래할 수 있습니다. 죽은 전지 또는 비활성 전지 부분은 광전지의이 특정 부분이 더 이상 태양 광 모듈의 총 전력 출력에 기여하지 않음을 의미합니다. 광전지의이 죽은 부분 또는 비활성 부분이 전체 셀 영역의 8 %보다 크면 비활성 셀 영역과 거의 선형 적으로 전력 손실이 증가합니다 [1].

균열은 작동 시간이 길어질수록 잠재적으로 커져 PV 모듈의 기능 및 성능에 악의적 인 영향을 미쳐 핫스팟을 유발할 수 있습니다. 감지되지 않은 미세 균열은 예상보다 적은 필드 수명을 초래할 수 있습니다. 크기, 셀 위치 및 충격 품질이 다릅니다.

설치 전과 프로젝트 수명 동안 현장에서 미세 균열이 감지 될 수 있습니다. EL (electroluminescence) 또는 ELCD (electroluminescence crack detection) 테스트가 가장 적용된 방법 중 하나 인 미세 균열을 식별하기위한 다양한 품질 테스트 방법이 있습니다. EL 테스트는 열 화상 카메라로 적외선 (IR) 이미징, VA 특성 및 플래시 테스트와 같은 다른 테스트 방법으로 추적 할 수 없었던 숨겨진 결함을 감지 할 수 있습니다 [1]. 일부 제조업체는 수명 기간 동안 설치된 패널을 정기적으로 검사 할 것을 권장합니다 [3].

캡슐화 결함

태양 전지판은“샌드위치”이며 서로 다른 층의 재료로 구성됩니다 (그림 3).

그림 3 : PV 모듈의 구성 요소 [2].

캡슐화 재료는 다음 용도로 사용됩니다.

• 열, 습도, 자외선 및 열 사이클 저항

• 우수한 접착력 제공

• 유리를 세포에 광학적으로 결합

• 구성 요소를 전기적으로 분리

• 수분 유입을 제어, 감소 또는 제거

캡슐화에 사용되는 가장 공존 하는 물질은에 탈린 비닐 아세테이트 (EVA)이다. 봉지 재의 고장은 PV 모듈의 고장 또는 성능 저하를 초래할 수 있습니다.

접착 실패

유리, 봉지 재, 활성층 및 후면 층 사이의 접착력은 여러 가지 이유로 손상 될 수있다. 박막 및 다른 유형의 PV 기술은 또한 인접한 유리 층으로부터 박리 될 수있는 투명 전도성 산화물 (TCO) 또는 유사한 층을 포함 할 수있다.

일반적으로 오염 (예 : 유리의 부적절한 세척) 또는 환경 적 요인으로 인해 접착력이 손상되면 박리가 발생하고 수분이 침투하고 부식됩니다. 광학 경로 내의 인터페이스에서의 박리는 광학 반사 (예를 들어, 단일 공기 / 폴리머 인터페이스에서 최대 4 %, 전력 손실) 및 모듈로부터의 전류 (전력)의 손실을 초래할 것이다 [1].

아세트산 생산

EVA 시트는 수분과 반응하여 아세트산을 형성하여 PV 모듈 구성 요소의 내부 구성 요소의 부식 과정을 가속화합니다. 이것은 EVA 에이징 공정에서 비롯 될 수 있으며은 접점을 공격하고 셀 생산에 영향을 줄 수 있습니다. 투과성 백 시트의 경우 아세트산이 빠져 나갈 수 있으므로 문제가되지 않습니다. 그러나 불 침투성 백 시트의 경우이 결함으로 인해 시간이 지남에 따라 상당한 전력 손실이 발생할 수 있습니다.

봉지 변색

이로 인해 전송 손실이 발생하여 전력이 줄어 듭니다. 변색은 산소 표백으로 인한 것이므로 통기성 백 시트를 사용하면 세포 고리가 변색되고 바깥 고리는 깨끗하게 유지됩니다. 이것은 EVA 제형에서 불량한 가교 및 / 또는 첨가제로 인해 발생할 수있다.

그림 4 : 변색 된 EVA [5].

농도가 없으면 변색이 나타나고 출력 전력이 눈에 띄게 줄어들 기 시작하는 데 5 ~ 10 년이 걸립니다. 변색되는 것은 EVA 자체가 아니라 제형의 첨가제입니다. 이 결함은 일부 빛이 패널에 도달하는 것을 방지 할 수 있습니다 [5].

박판

박리는 유리 또는 셀로부터 봉지 재를 분리하는 것이다. 박리는 수퍼 스트레이트 (유리), 기판 (배면 시트)과 봉지 재 사이 또는 봉지 재와 셀 사이에있을 수 있습니다. 전면 유리에서 박리는 제조 공정 중 EVA 접착 불량 또는 유리 세정 절차 불량으로 인해 발생할 수 있습니다. 이 결함은 일부 빛이 패널에 도달하는 것을 막을 수 있습니다. 보이드에 습도가 축적되어 솔더 와이어 근처에 단락이 발생하면 문제가 더 심각해질 수 있습니다.

세포로부터의 박리는 세포 표면의 불량한 가교 또는 오염에 의해 야기 될 가능성이 높다. 이 결함은 라미네이트에 기포가 생성 될 때 습도 축적 및 단락 가능성이 있기 때문에 심각 할 수 있습니다. EVA가 제작 중 인서트에 잘 부착되지 않으면 인서트에서 박리가 발생합니다.

박리 후 새로운 경로 및 후속 부식으로 인해 모듈 성능이 저하되지만 안전 문제가 자동으로 발생하지는 않습니다. 그러나, 배면 시트의 박리는 활성 전기 구성 요소에 노출 될 가능성을 가능하게 할 수있다. 유리 전면 및 후면 시트로 모듈을 구성하는 경우 박리 및 / 또는 유리 파손을 향상시키는 추가 응력이있을 수 있습니다.

백 시트 결함

모듈의 후면 시트는 전자 부품이 환경에 직접 노출되지 않도록 보호하고 DC 전압이 높은 경우 안전한 작동을 제공합니다. 배면 시트는 유리 또는 중합체로 구성 될 수 있고 금속 호일을 포함 할 수있다.

그림 5 : 박리 (Rycroft).

가장 일반적으로, 백 시트는 매우 안정적이고 자외선에 강한 내성 폴리머, 종종 외부의 불소 폴리머, 환경에 직접 노출 된 PET의 내부 레이어, 봉지 재 레이어가있는 라미네이트 구조로 구성됩니다 [1] .

후면 시트 대신 후면 유리를 사용하면 파손되어 고장날 수 있습니다. 모듈이 백 시트 (기판 CIGS)에 박막 장치로 구성된 경우, 이는 해당 모듈에 대한 상당한 또는 더 완전한 전력 손실 이외에 심각한 안전 위험을 나타냅니다. 크랙을 따라 작은 갭과 전기 아크를 생성하고 유지할 수있는 전압이있을 수 있습니다.

이것이 바이 패스 다이오드의 고장과 관련하여 발생하는 경우, 전체 시스템 전압이 갭을 가로 질러 존재하여 유리를 녹일 가능성이있는 크고 지속적인 아크를 생성하여 화재를 일으킬 수 있습니다. 그러나, 전형적인 결정질 Si 모듈에서 유리 백 시트가 파손되는 경우, 전기 절연의 작은 측정치를 제공하기위한 봉지 재 층이 여전히 존재할 것이다.

EVA로부터의 박리는 EVA와 백 시트 사이의 불량한 접착 성으로 인해 또는 백 시트의 접착층이 UV 노출 또는 온도 증가에 의해 손상되는 경우 발생할 수있다.

전면 황변은 봉지 재에 대한 특정 백 시트의 접착을 촉진하는 데 사용되는 중합체의 분해에 의해 발생합니다. 황변은 종종 기계적 성질의 악화와 관련이 있습니다. 이 결함으로 인해 후면 시트가 결국 박리 및 / 또는 균열 될 수 있습니다 [3].

공기 측 황변은 고온에 의해 가속 될 수있는 UV 감도의 표시입니다. 이 결함은 열 분해의 결과로 일부 백 시트에서도 발생합니다. 황변은 종종 기계적 성질의 악화와 관련이 있습니다. 이 결함으로 인해 후면 시트가 결국 박리 및 / 또는 균열 될 수 있습니다 [3].

핫스팟

핫스팟 가열은 작동 전류가 그림자 또는 결함이있는 셀 또는 셀 그룹의 감소 된 단락 전류 (I _sc )를 초과 할 때 모듈에서 발생합니다. 이러한 상태가 발생하면 영향을받는 셀 또는 셀 그룹이 역 바이어스로 강제 설정되어 전력을 소비해야합니다.

그림 6 : 태빙 리본과 직렬로 연결된 결정질 실리콘 태양 전지 [6].

전력 손실이 충분히 높거나 국부적으로 충분하면 역 바이어스 된 셀이 과열되어 땜납 및 / 또는 실리콘이 녹고 봉지 재 및 백 시트가 열화 될 수 있습니다 [5].

도체 리본 및 조인트 고장

태양 전지에는 두 개의 기본 요소 인 전면 및 후면 접점이 장착되어있어 외부 회로로 전류를 전달할 수 있습니다. 전류는 전면 및 후면 접점에 납땜 된 버스 스트립에 의해 전달됩니다. 스트링 리본의 고장은 출력 전력 손실과 관련이 있습니다. 열 팽창 및 수축 또는 반복되는 기계적 응력으로 인해 상호 연결이 끊어집니다. 더욱이, 리본에서 두꺼운 리본 또는 꼬임은 상호 연결의 끊어짐에 기여하며, 단락 된 셀 및 개방 된 셀을 초래한다.

모듈의 중요한 부분은 솔더 조인트 상호 연결입니다. 그들은 솔더, 버스 바, 리본 및 실리콘 웨이퍼를 포함하여 함께 결합 된 많은 재료로 구성됩니다. 이러한 재료는 다른 열적 및 기계적 특성을 가지고 있습니다. 본딩에서, 어셈블리는 본딩 된 재료의 열 팽창 계수의 차이에 의해 야기되는 열-기계적 신뢰성 문제를 발생시킨다. 솔더는 전극과 리본을 연결합니다.

PV 모듈 온도는 현지 날씨에 따라 달라지며 땜납 상호 연결 저하율에 영향을줍니다. 수명 예측 모델링 분석에서 다양한 기상 조건에 위치한 동일한 유형의 c-Si PV 모듈의 경우 수명이 사막에서 가장 짧고 열대 지역에서 가장 짧았다.

PV 모듈의 태양 전지 조립에 납땜 공정을 사용하면 최소한의 생산 비용으로 높은 신뢰성을 갖는 제품을 생산할 수 있다는 장점이 있지만,이 기술은 실리콘 웨이퍼에서 전단 응력을 생성 할 수있는 고유 한 잠재력을 가지고 고온에서 발생합니다. 솔더 조인트의 고장 및 열화로 인해 직렬 저항이 증가하여 전력 손실이 발생합니다.

모듈 수명

위의 모든 결함은 PV 패널의 성능 저하 및 궁극적 실패에 기여합니다. PV 모듈은 20 년 이상 지속되도록 설계되었으며, 새로운 모듈은 열, 습도, 온도 사이클, UV 방사 및 기타 요인의 영향을 시뮬레이션하는 가속화 된 테스트 프로그램을 거칩니다 [5]. 콜이 수행 한 테스트 프로그램의 결과는 그림 7에 나타나있다 [7].

그림 7 : 상용 c-Si 모듈에 대한 가속 노화 테스트 [7].

PV의 표준화 된 전력 수준은 일반적으로 수명 종료로 간주됩니다. 테스트 곡선에서이 지점 이후에 패널이 급격히 저하되는 것을 볼 수 있습니다.

1990 년대 초 10 년 보증이 일반적이었습니다. 오늘날 거의 모든 제조업체에서 20 ~ 25 년 보증을 제공합니다. 그러나 25 년 보증이 프로젝트가 보호되는 것은 아닙니다. 다음과 같은 질문을해야합니다.

• 문제가 발생했을 때 15 년 내에 모듈 공급 업체가 있습니까?

• 공급 업체는 에스크로 계정에 자금을 제공하여 사라 졌을 경우 프로젝트가 보호되도록 보장합니까?

• 공급 업체는 단순히 IEC 내구성 테스트를 통해 장기 내구성에 대한 주장을합니까?

• 공급 업체가 5 년 동안 만 있다면 모듈이 25 년 동안 지속된다고 어떻게 주장 할 수 있습니까?

보증 기간의 증가는 유망하지만 투자자 나 개발자는이를 제공하는 회사를 신중하게 검토해야합니다 [4].

참고 문헌

[1] IEA :“ 태양 광 모듈 고장 검토 ”, 과제 13 외부 최종 보고서, IEA-PVPS, 2014 년 3 월.
[2] 듀폰 :“ 태양 전지판 결함 이해를위한 안내서 : 제작에서 현장 모듈까지 ”, www.dupont.com
[3] M Kontges et al .:“ 결정질 광전지 모듈의 균열 통계 ”, 제 26 회 유럽 광전지 태양 에너지 컨퍼런스 및 전시회, 2011.
[4] E Fitz :“ PV 모듈 신뢰성의 최종 영향 ”, Renewable Energy World, 2011 년 3 월.
[5] J Wolgemuth 등 : " 결정질 Si 모듈의 고장 모드 ", PV 모듈 신뢰성 워크샵 2010.
M Zarmai :“ 개선 된 결정질 실리콘 태양 전지 태양 광 모듈 어셈블리를위한 상호 연결 기술 검토 ”, Applied Energy, 2015.
[7] M Koehl et al : PV 신뢰성 (Cluster II) : 독일의 4 년 공동 프로젝트 결과 – 1 부, 노화 테스트 및 분해 모델링 가속화, 제 25 회 EU-PVSEC, 2010.