太陽光発電モジュールの障害と障害

ソース：ee.co.za

最新の太陽光発電装置は、製品の全寿命にわたって信頼性の高い動作を実現するように設計されています。 それでも、製造上の欠陥や未熟な故障が依然として発生し、製品の性能に影響を与える可能性があります。

信頼性と品質は、最新の太陽光発電装置に組み込まれています。 量産技術は管理されていますが、品質管理が不十分なため、製品に製造上の欠陥が生じる可能性があり、現場での設置や輸送によって損傷が生じる可能性があり、そのすべてが製品の寿命を短くする可能性があります

太陽光発電システムのコストを削減する重要な要素の1つは、PVモジュールの信頼性と寿命を延ばすことです。 今日の統計では、結晶シリコンPVモジュールの定格電力の劣化率は0.8％/年です[1]。 最新の製品は、高品質の材料と機械化された製造を利用するように設計されていますが、価格競争により、パネルの製造で使用される材料が薄くなり、材料が少なくなりました。 さらに、一部の製造業者は低品質の材料を使用して低価格に戻しているという証拠があります。

主要なライフサイクルコストは資本であるため、パネルの早期故障はPV設置に大きな財政的影響を与える可能性があります。 PVモジュールの故障は、通常の動作では逆転しないモジュールの電力を低下させるか、安全性の問題を引き起こす影響です。

これらの結果をまったく持たない純粋に表面的な問題は、PVモジュールの障害とは見なされません。 PVモジュールの故障は、モジュールが通常発生する条件下で発生した場合の保証に関連します[1]。

通常、製品の障害は次の3つのカテゴリに分類されます。

• 乳児の障害

• 中年期の失敗

• 摩耗故障

図1は、PVモジュールのこれら3種類の障害の例を示しています。 これらのモジュールの故障に加えて、多くのPVモジュールは、インストール直後に光誘起電力低下（LID）を示します。 LIDはとにかく発生する障害タイプであり、通常、PVモジュールのラベルに印刷されている定格電力は、この障害による予想標準化飽和電力損失によって調整されます。

図1：ウェーハベースの結晶性太陽電池モジュールの3つの典型的な故障シナリオ[1]。

LID：光誘起劣化
PID：潜在的に誘発された劣化
EVA：エチレン酢酸ビニル
J-box：ジャンクションボックス

障害および障害の発生

ほとんどの設備は最近のものであるため、パネルの全寿命にわたる稼働中の故障に関する詳細な調査は利用できません。 幼児死亡率調査、つまり設置の失敗に関する報告書は、設置された全パネルの1〜2％の数値を示しています[3]。 寿命を加速するいくつかのシミュレーション研究が行われていますが、パネルの数は限られています。

BP SolarはSolarex c-Siパネルの8年間で0.13％の故障率を報告しており、Sandia National Laboratoriesはフィールドデータに基づいて年間0.05％の故障率を予測しています[4]。 ただし、これらは短期間での初期の寿命の数値であり、大規模なインストールの晩期障害に関する数値は入手できません。

主要な欠陥と障害

障害は、パフォーマンスと安全性に関連する障害タイプに分類できます。 安全関連の故障は、物的損害または人員の負傷につながる可能性があります。 パフォーマンス関連の障害は、出力電力の損失または低下をもたらします。

欠陥は次の領域で発生します。

• 結晶性PV製品のウェーハまたはセル

• カプセル化

• ガラスベース

• 内部配線

• フレームと継手

• アモルファスPVのアモルファス層

ウェーハまたはセルの欠陥

セルの効率の劣化は、セルの寿命にわたって正常であり、劣化率が通常の制限を超えない限り、障害または故障とは見なされません。 ウェーハまたはセルの欠陥の大部分は、ウェーハの割れ、接続および導体の損傷です。 反射防止コーティング（ARC）の損傷とセルの腐食により、小さな障害が発生します。 アモルファスソーラーパネルの光誘起劣化は既知の影響であり、必ずしも故障とは見なされません。 潜在的な劣化は、PVシステムで使用される電圧がますます高くなった結果として現れた新しい現象です。

反射防止コーティングの剥離

反射防止コーティング（ARC）は、光の取り込みを増加させるため、モジュールの電力変換が増加します。 反射防止コーティングがセルのシリコン表面から剥がれると、ARC剥離が発生します。 多くの層間剥離がない限り、これは重大な欠陥ではありません[2]。 調査により、ARCプロパティはPIDの原因となることが示されています。

セル割れ

PVモジュールの亀裂はいたるところに見られます。 モジュールの寿命のさまざまな段階で発生する場合があります。

特に製造中、はんだ付けはセルに高い応力を誘発します。 輸送中の取り扱いと振動は、亀裂を誘発または拡大する可能性があります[4]。 最後に、現場のモジュールは、風（圧力と振動）と雪（圧力）による機械的負荷を受けます。

マイクロクラックは、以下によって引き起こされるか悪化する可能性があります。

• 製造

• 輸送

• 設置

• 稼働中のストレス（熱など）

結晶ウェーハは、長年にわたってサイズが大きくなり、厚さが薄くなり、破損や亀裂の可能性が高まりました。 太陽電池のクラックは、回避するのが難しく、これまでモジュールの寿命中のモジュールの効率への影響を定量化することが基本的に不可能であったため、PVモジュールにとって真の問題です。 特に、セルのさまざまな部分が電気的に接続されている限り、マイクロクラックの存在は新しいモジュールの電力にわずかな影響しか与えない可能性があります。

モジュールが経年劣化し、熱および機械的ストレスにさらされると、亀裂が発生する可能性があります。 ひび割れたセル部分の相対運動が繰り返されると、完全に分離し、セル部分が非アクティブになる場合があります。 この特殊なケースでは、電力損失の明確な評価が可能です。 60セル、230 WのPVモジュールの場合、失われた部品がセル面積の8％未満であれば、セル部品の損失は許容されます[3]。

図2：細胞の微小亀裂によるカタツムリの痕跡[1]。

マイクロクラックとは、PVセルのシリコン基板の割れ目であり、肉眼では見られないことがよくあります。 亀裂は、太陽電池のさまざまな長さと向きで形成されます。 ウェーハのスライス、セル生産の糸引き、および生産プロセス中の埋め込みプロセスにより、太陽電池のセルに亀裂が生じます。 太陽電池の糸引きプロセスは、亀裂を導入するリスクが特に高くなります[1]。

生産中のマイクロクラックの原因は3つあります。 それぞれに独自の発生確率があります。

• セル相互接続リボンから始まるクラックは、はんだ付けプロセスによって引き起こされる残留応力によって引き起こされます。 これらの亀裂は、多くの場合、コネクタの端または開始点にあります。これは、残留応力が最も高いためです。 このひび割れタイプが最も頻繁です。

• いわゆるクロスクラックは、製造中にウェーハを押す機械によって引き起こされます。

• セルの端から始まる亀裂は、セルが硬い物体に衝突することによって引き起こされます。

太陽電池モジュールにセル亀裂が存在すると、太陽電池モジュールの動作中に短いセル亀裂がより長くより広い亀裂に発展するリスクが高くなります。 これは、風や雪の負荷によって引き起こされる機械的ストレスと、通過する雲や天候の変化によって引き起こされる温度の変動による太陽電池モジュールの熱機械的ストレスによるものです。

マイクロクラックにはさまざまな原因があり、短絡電流やセル効率の低下を伴うより深刻な影響まで、影響を受けるセルの一部の歩留まりを低下させる粉砕など、かなり「ソフトな」結果をもたらす可能性があります。 視覚的には、細胞構造上にいわゆる「カタツムリ跡」の形でマイクロクラックが現れることがあります。 ただし、カタツムリの跡は、長期的な影響の兆候として、化学プロセスの結果であり、セルの表面が変化したり、ホットスポットが発生したりする可能性があります。

大きな亀裂の亀裂パターンに応じて、熱的、機械的ストレス、および湿度は、影響を受ける太陽電池からの電力出力の損失を引き起こす「デッド」または「非アクティブ」セル部品につながる可能性があります。 セル部分が死んでいるか、または非アクティブであるということは、太陽電池のこの特定の部分がソーラーモジュールの総電力出力にもはや寄与していないことを意味します。 太陽電池のこの死んだ部分または非アクティブな部分がセルの総面積の8％を超えると、非アクティブなセルの面積とともに電力損失がほぼ直線的に増加します[1]。

クラックはより長い運用時間で成長する可能性があるため、PVモジュールの機能とパフォーマンスに対する悪意のある影響が拡大し、ホットスポットも発生する可能性があります。 検出されないマイクロクラックは、フィールド寿命が予想よりも短くなる可能性があります。 それらは、サイズ、セル上の位置、および品質が異なります。

マイクロクラックは、設置前およびプロジェクトの全期間にわたって現場で検出できます。 エレクトロルミネセンス（EL）またはエレクトロルミネセンスクラック検出（ELCD）テストが最も応用されている方法の1つであるマイクロクラックを識別するためのさまざまな品質テスト方法があります。 ELテストでは、サーマルカメラによる赤外線（IR）イメージング、VA特性、フラッシュテストなど、他のテスト方法では追跡できなかった隠れた欠陥を検出できます[1]。 一部のメーカーは、設置されたパネルの寿命にわたって定期的な検査を推奨しています[3]。

カプセル化障害

ソーラーパネルは、さまざまな材料の層で構成される「サンドイッチ」です（図3）。

図3：PVモジュールのコンポーネント[2]。

カプセル化材料は次の目的で使用されます。

• 熱、湿気、紫外線、熱サイクルに耐える

• 良好な接着性を提供

• ガラスを細胞に光学的に結合

• コンポーネントを電気的に絶縁

• 湿気の侵入を制御、削減、または排除する

カプセル化に使用される 最も 一般的な材料は、エタノール酢酸ビニル（EVA）です。 封止材の故障は、PVモジュールの故障または劣化を引き起こす可能性があります。

接着不良

ガラス、封止材、活性層、および背面層の間の接着性は、多くの理由で損なわれる可能性があります。 薄膜およびその他のタイプのPV技術には、隣接するガラス層から剥離する可能性のある透明導電性酸化物（TCO）または同様の層が含まれる場合があります。

通常、汚染（ガラスの不適切な洗浄など）または環境要因により接着力が低下すると、層間剥離が発生し、その後に水分の侵入と腐食が発生します。 光路内の界面での層間剥離は、光学反射（例、単一の空気/ポリマー界面での最大4％、電力損失）と、その後のモジュールからの電流（電力）の損失をもたらします。

酢酸生産

EVAシートは水分と反応して酢酸を形成し、PVモジュールコンポーネントの内部コンポーネントの腐食プロセスを加速します。 これは、EVAの老化プロセスからも発生する可能性があり、銀接点を攻撃し、セル生産に影響を与える可能性があります。 透過性バックシートの場合、酢酸は逃げることができるため、これは問題になりません。 ただし、不透過性のバックシートの場合、この欠陥は時間の経過とともに大幅な電力損失を引き起こす可能性があります。

封止材の変色

これにより、伝送がある程度失われるため、電力が削減されます。 変色は酸素の漂白によるものであるため、通気性のあるバックシートを使用すると、細胞の中心が変色しますが、外側のリングは透明のままです。 これは、EVA配合物の不十分な架橋および/または添加剤のために発生する可能性があります。

図4：変色したEVA [5]。

集中しないと、変色が見られるまでに5〜10年かかり、出力電力が大幅に低下するまでに時間がかかります。 変色するのはEVA自体ではなく、製剤中の添加剤です。 この欠陥により、一部の光がパネルに到達するのを防ぐことができます[5]。

層間剥離

層間剥離は、ガラスまたはセルからの封止材の分離です。 剥離は、スーパーストレート（ガラス）、基板（バックシート）とカプセル材の間、またはカプセル材と細胞の間で起こります。 前面ガラスからの剥離は、EVAの接着不良または製造プロセス中のガラス洗浄手順の不良が原因で発生する場合があります。 この欠陥により、一部の光がパネルに到達するのを防ぐことができます。 この問題は、ボイドに湿度が蓄積し、はんだワイヤの近くで短絡が発生すると、より深刻になる可能性があります。

セルからの剥離は、架橋不良またはセル表面の汚染が原因である可能性が最も高くなります。 この欠陥は深刻な場合があります。ラミネート内に気泡が発生すると、湿気が蓄積して短絡する可能性があるためです。 EVAが製造中にインサートにしっかりと接着しなかった場合、インサートからの剥離が発生します。

剥離後の新しい経路とそれに続く腐食はモジュールの性能を低下させますが、安全性の問題を自動的には引き起こしません。 ただし、バックシートの剥離により、アクティブな電気部品への露出の可能性があります。 モジュールがガラスのフロントシートとバックシートで構成されている場合、剥離やガラス破損を促進する追加の応力が発生する可能性があります。

バックシートの欠陥

モジュールのバックシートは、環境への直接的な露出から電子部品を保護し、高DC電圧の存在下で安全な動作を提供するのに役立ちます。 バックシートは、ガラスまたはポリマーで構成されていてもよく、金属箔が組み込まれていてもよい。

図5：剥離（Rycroft）。

最も一般的には、バックシートは、非常に安定で耐紫外線性のポリマー、多くの場合外部にフルオロポリマー、環境に直接さらされるラミネート構造、PETの内層、その後に封止剤層で構成されます[1] 。

バックシートの代わりに背面ガラスを使用すると、破損して破損する場合があります。 モジュールがバックシート（基板CIGS）上に薄膜デバイスとして構築されている場合、これは、そのモジュールの重大な、またはより可能性の高い完全な電力損失に加えて、重大な安全上の危険をもたらします。 クラックに沿って小さなギャップがあり、電気アークを生成および維持できる電圧がある場合があります。

これがバイパスダイオードの故障と関連して発生した場合、システム電圧全体がギャップ全体に存在する可能性があり、ガラスが溶けて火災を引き起こす可能性のある大きく持続的なアークを作成します。 ただし、通常の結晶Siモジュールでガラスのバックシートが破損した場合でも、電気的絶縁のわずかな尺度を提供するカプセル材の層が残っています。

EVAからの層間剥離は、EVAとバックシート間の接着不良、またはUV露光または温度上昇によりバックシートの接着層が損傷した場合に発生する可能性があります。

前面の黄変は、特定のバックシートの封止材への接着を促進するために使用されるポリマーの劣化によって引き起こされます。 黄変は、しばしば機械的特性の悪化に関連しています。 この欠陥により、バックシートが最終的にはがれたり割れたりする可能性があります[3]。

空気側の黄変は、高温によって加速される可能性のあるUV感度の兆候です。 この欠陥は、熱劣化の結果として一部のバックシートでも発生します。 黄変は、しばしば機械的特性の悪化に関連しています。 この欠陥により、バックシートが最終的にはがれたり割れたりする可能性があります[3]。

ホットスポット

モジュールのホットスポット加熱は、その動作電流が、影のあるセルまたは欠陥のあるセルまたはセルのグループの短絡電流（I _sc ）を超えたときに発生します。 このような状態が発生すると、影響を受けるセルまたはセルのグループは強制的に逆バイアスになり、電力を消費する必要があります。

図6：タブリボンと直列に相互接続された結晶シリコン太陽電池[6]。

電力消費が十分に大きいか、十分に局所化されている場合、逆バイアスされたセルが過熱して、はんだやシリコンが溶融し、封止材とバックシートが劣化する可能性があります[5]。

導体リボンと接合部の故障

太陽電池には、外部回路への電流の供給を可能にする2つの基本要素、前面および背面接点が装備されています。 電流は、フロントおよびバックコンタクトにはんだ付けされたバスストリップによって運ばれます。 ストリングリボンの故障は、出力電力の損失に関連しています。 相互接続の破損は、熱膨張と熱収縮、または繰り返される機械的ストレスの結果として発生します。 さらに、より厚いリボンまたはリボンのよじれは、相互接続の破壊に寄与し、結果として短絡セルおよび開放回路セルになります。

モジュールの重要な部分は、はんだ接合の相互接続です。 これらは、はんだ、バスバー、リボン、シリコンウェーハなど、多くの材料が結合されています。 これらの材料は、異なる熱的および機械的特性を備えています。 接合において、アセンブリは、接合された材料の熱膨張係数の違いによって引き起こされる熱機械的信頼性の問題を生じます。 はんだは、電極とリボンを接続します。

PVモジュールの温度は現地の天候によって変化し、はんだ相互接続の劣化率に影響します。 寿命予測モデリング分析では、さまざまな気象条件にある同じタイプのc-Si PVモジュールについて、砂漠での寿命が最も短く、熱帯地方での寿命がそれに続くことが報告されました。

PVモジュールの太陽電池の組み立てにはんだ付けプロセスを使用すると、最小限の生産コストで高い信頼性を備えた製品が得られるという利点がありますが、この技術は高温で発生し、シリコンウェーハにせん断応力を発生させる可能性があります。 はんだ接合部の故障と劣化により、直列抵抗が増加し、電力が失われます。

モジュールの寿命

上記の障害はすべて、PVパネルの劣化と最終的な故障の一因となります。 PVモジュールは20年以上持続するように設計されており、新しいモジュールは、熱、湿度、温度サイクル、UV放射などの要因の影響をシミュレートする加速テストプログラムを受けます[5]。 Kohlが実施したテストプログラムの結果を図7に示します[7]。

図7：市販のc-Siモジュールの加速劣化テスト[7]。

通常、PVパネルの寿命の終わりとして、0.8の正規化された電力レベルが使用されます。 テストカーブから、この時点以降、パネルが急速に劣化することがわかります。

1990年代初期には、10年間の保証が一般的でした。 現在、ほぼすべてのメーカーが20〜25年の保証を提供しています。 しかし、25年間の保証は、プロジェクトが保護されることを意味するものではありません。 次の質問をする必要があります。

• 問題が発生した場合、モジュールのサプライヤは15年以内に存在しますか？

• サプライヤーはエスクロー口座に資金を提供して、それがなくなった場合にプロジェクトが保護されるようにしますか？

• サプライヤは、IEC認定試験に頼って長期耐久性について主張しているだけですか？

• サプライヤが5年間しか存在しない場合、モジュールが25年間持続すると主張するにはどうすればよいですか？

保証期間の延長は有望ですが、投資家または開発者はそれを提供する会社を慎重に検討する必要があります[4]。

参照資料

[1] IEA：「 太陽光発電モジュールの故障のレビュー 」、タスク13外部最終報告書、IEA-PVPS、2014年3月。
[2]デュポン：「 ソーラーパネルの欠陥を理解するためのガイド：製造からフィールドモジュールまで 」、www.dupont.com
[3] M Kontges、et al：「 結晶性太陽光発電モジュールのクラック統計 」、第26回欧州太陽光発電会議および展示会、2011年。
[4] E Fitz：「 PVモジュールの信頼性の最終的な影響 」、Renewable Energy World、2011年3月。
[5] J Wolgemuth et al：「 結晶Siモジュールの故障モード 」、PVモジュール信頼性ワークショップ2010。
[6] M Zarmai：「 改良された結晶シリコン太陽電池太陽電池モジュールアセンブリのための相互接続技術のレビュー 」、Applied Energy、2015年。
[7] M Koehl et al：PV信頼性（クラスターII）：ドイツの4年間の共同プロジェクトの結果–パートI、加速劣化試験と劣化のモデリング、25th EU-PVSEC、2010年。