Uwaga na jakość modułów fotowoltaicznych

Niska cena instalacji fotowoltaicznej (PV), może wynikać z zastosowania niskiej jakości modułów fotowoltaicznych. Warto więc zwracać uwagę na to co wybieramy, bo może to mieć istotny wpływ na efektywną i niezawodną pracę instalacji przez co najmniej 20-25 lat.
 

Rodzaje modułów 

Fotoogniwa mnożna podzielić, między innymi, na:
• grubowarstwowe (z krzemu monokrystalicznego lub polikrystalicznego, o grubości 0,2 mm) i
• cienkowarstwowe (grubość ogniw wynosi ok. 1-3 mikrometrów).

Moduły wykonane z ogniw mono- i polikrystalicznych zaliczane są do modułów I generacji i nadal są najczęściej stosowane. Charakteryzują się dobrym stosunkiem kosztów produkcji do ich ceny, oraz stosunkowo wysoką sprawnością i długą żywotnością.
Moduły II generacji wykonane są z cienkich warstw materiału fotowoltaicznego naniesionych na podłoże, np. z tlenku kadmu (CdTe), z miedzi, indu, galu, selenu (CIGS). Charakteryzują się mniejszą ilością wykorzystywanego do ich produkcji półprzewodnika, czyli niższymi nakładami energetycznymi przy ich produkcji.
Dużą zaletą modułów III generacji jest są niskie koszty i prosta produkcja ogniw. Natomiast wadą jest mała sprawność, która wynosi kilka procent oraz krótka żywotność.

Ogniwo – Moduł – Generator fotowoltaiczny 

Pojedyncze krzemowe ogniwo fotowoltaiczne (ogniwo słoneczne, fotoogniwo), składa się z płytki krzemowej. Na górnej powierzchni płytki znajduje się elektroda w postaci siatki, która zbiera elektrony. W dolnej części znajduje się elektroda dolna wykonana najczęściej w postaci warstwy metalicznej.

Pojedyncze ogniwa mają zazwyczaj wymiary 10×10 cm lub 15×15 cm i są w stanie wytworzyć prąd o mocy od 1,0 do 6,97 W.  Pojedyncze ogniwa łączy się ze sobą szeregowo i równolegle w moduł fotowoltaiczny (moduł solarny, panel fotowoltaiczny). Jeden moduł wykonany z ogniw krzemowych jest w stanie wygenerować moc rzędu do 250-300 W

Jakość modułów krzemowych

W zależności od jakości ogniw fotowoltaicznych, dostępne są one w trzech klasach:
Klasa A – ogniwa bez wad
Klasa B – ogniwa z nielicznymi skazami (uszkodzeniami)
Klasa C – ogniwa z licznymi skazami.

Im wyższa klasa ogniw, tym wyższa moc modułu fotowoltaicznego w przeliczeniu na jednostkę powierzchni, to również wyższa jakość modułu.
Im niższa klasa, tym tańsze moduły fotowoltaiczne.
Warto przyjrzeć się modułom, które stosujemy. Gołym okiem możemy znaleźć skazy czy uszkodzenia modułów klasy C. Znacznie trudniej będzie nam rozpoznać moduły klasy B i A – pewną wskazówka może być niejednolity kolor ogniw. Wyraźne różnice w odcieniu poszczególnych ogniw mogą świadczyć, że do budowy modułu nie wykorzystano ogniw najwyższej klasy.
Niedolutowane końcówki ścieżek, niska jakość lutów, widoczne uszkodzenia modułów, świadczą o tym, że jest to moduł niskobudżetowy. Zazwyczaj możemy się spodziewać, że do jego budowy zastosowano również niskiej klasy ogniwa.

Delaminacja

Folia EVA (etylen-winyl-acetat) chroni fotoogniwa przed czynnikami atmosferycznymi, jak wilgoć i promieniowanie UV. W czasie produkcji modułu jego komponenty są laminowane pod precyzyjnie określonym ciśnieniem i temperaturą. Jest niezmiernie ważne, aby czas i temperatura laminowania były odpowiednio dobrane do parametrów folii EVA.
Niewłaściwie przeprowadzony proces  lub użycie zbyt tanich materiałów, może spowodować późniejsze odklejenie się warstwy folii EVA, tzw. delaminację. Widać to po mlecznym kolorze miejsca, w którym nastąpiła delaminacja.
Moduły z delaminacją powinny być wymienione, bo z jej powodu wilgoć może dostać się do fotoogniw, co w konsekwencji spowoduje ich korozję i spadek wydajności modułu. Dodatkowo transmisja światła do fotoogniw będzie znacznie ograniczona.

Przebarwienie warstwy EVA

Folia EVA, dla zapewnienia dużej przepuszczalności światła ma dodatki chemiczne tzw. stabilizatory optyczne, które zapobiegają jej przebarwieniu. Zbyt mała ich ilość (niska jakość folii), może być przyczyną postępującym w czasie zmianom barwy folii – od przeźroczystej do żółtej, a nawet brązowej.
Zmiana barwy folii powoduje spadek wydajności modułu od 5% do nawet 40%.

Gorące punkty, czyli „hot-spoty”

Podczas produkcji modułów fotowoltaicznych może dojść do drobnych uszkodzeń ogniw, niewidocznych „gołym okiem”, tzw. mikropęknięć. Można je wykryć na zdjęciu elektroluminescencyjnym bądź wykonanym metodą laserową. Renomowani producenci wykonują takie badania dla każdego modułu opuszczającego fabrykę.
Do mikrouszkodzeń ogniw może dojść również podczas transportu, magazynowania i montażu modułów.
Hot-spoty. Obecność mikrouszkodzeń jest przyczyną powstawania tzw. gorących punktów, czyli miejsc, które będą się silnie nagrzewać, zwłaszcza przy ich zacienieniu.

W wyniku gorących punktów, zacienione ogniwa mogą nagrzewać się do temperatury ponad 250°C, co może prowadzić do ich uszkodzenia oraz spowodować przebarwienie, a w skrajnym przypadku przepalenia foli EVA, ogniwa, a nawet do samozapłonu modułu.

Przyczyną lokalnego i nadmiernego nagrzewania się ogniw PV mogą być również wady mechaniczne ścieżek prądowych, np.: ich nieciągłość (przerwy), niedolutowania. Wady te powodują duże wahania rezystancji podczas przepływu prądu, co związane jest z nierównomiernym nagrzewaniem się poszczególnych części modułu. Najsilniej nagrzewają się miejsca o zwiększonej rezystancji w czasie zacienienia uszkodzonego ogniwa.

Uszkodzenia ścieżek prądowych oraz mikrouszkodzenia ogniw mogą powstawać w procesie produkcji, ale również podczas niewłaściwego transportowania modułów, chodzenia po nich w czasie montażu, mogą wynikać ze zbyt silnego dokręcania modułów do konstrukcji montażowej, itd.  Dlatego, nie powinno się chodzić po modułach – jak już, to w odpowiednim obuwiu i unikając stawania w centralnej części modułu.

 Gorące punkty na pracującej już instalacji można wykryć za pomocą badania kamerą termowizyjną.

Przykłady innych uszkodzeń 

Inne rodzaje uszkodzeń modułów PV mogą wynikać z niedopracowanej lub niedbałej ich produkcji. Mogą również być następstwem pracy w trudnych warunkach atmosferycznych.

„Kto kupuje tanio, ten kupuje dwa razy” – powiedzenie to dobrze oddaje sytuację, bo niska cena instalacji fotowoltaicznej wiąże się najczęściej z problemami i ciągłym dokładaniem do inwestycji. 

W najlepszym przypadku, niskiej jakości moduły PV będą produkować mniej prądu niż można  by oczekiwać. Wystarczy jeden uszkodzony moduł w instalacji, aby ta zmniejszyła swoją efektywność pracy, np. przez tzw. niedopasowanie prądowe.

Zjawisko fotowoltaiczne

Termin fotowoltaika (z ang. photovoltaic), pochodzi ze słowa: photo – światło i słowa: voltaic – oznaczającego napięcia.
Fotowoltaika jest dziedziną nauki, która zajmuje się przetwarzaniem promieniowania słonecznego na energię elektryczną.
W roku 1893, francuski fizyk Alexandre Edmond Becquerel odkrył efekt fotowoltaiczny. Pierwsze ogniwa fotowoltaiczne wykonane były z selenu. Dopiero w 1918 roku, polski uczony Jan Czocharski odkrył metodę wytwarzania monokryształów krzemu, które w 1941 r. stały się podstawowym składnikiem pierwszego krzemowego ogniwa fotowoltaicznego. I do dzisiaj ogniwa krzemowe są najczęściej wykorzystywane do budowy modułów fotowoltaicznych. Wynika to przede wszystkim z ekonomicznie uzasadnionej relacji kosztów produkcji do efektywności ich pracy.

Jak działa fotoogniwo krzemowe ?
Krzem
Jądro każdego atomu zbudowane jest z protonów i neutronów. Wokół niego, po różnych orbitach, krążą elektrony. Nośnikami prądu w półprzewodniku są elektrony i dziury.
Po zewnętrznej orbicie (najdalej od jądra), krążą elektrony, które mają najwyższy poziom energii i nazywane są elektronami walencyjnymi. Gdy doprowadzimy energię do półprzewodnika, nastąpi wybicie z orbity elektronów walencyjnych.
Atom, z którego orbity uciekł elektron zyskuje ładunek dodatni. Na orbicie walencyjnej, w miejscu skąd oderwał się elektron, pozostaje tzw. dziura, która ma ładunek dodatni.
Każdy atom krzemu ma 4 elektrony walencyjne. Z kolei, 5 atomów tworzy komórkę elementarną kryształu krzemu.
Mają one wspólne elektrony walencyjne – każdy atom krzemu otacza 8 elektronów walencyjnych: 4 własne i 4 z sąsiednich atomów, które łączą się w pary.

Domieszkowanie
Czysty krzem nie zawiera zbyt wiele elektronów walencyjnych, co sprawia, że charakteryzuje się małą przewodnością. Dlatego, stosuje się domieszkowanie, czyli, do kryształu krzemu wprowadzamy atomy innych pierwiastków. Uzyskuje się w ten sposób tzw. półprzewodniki domieszkowane.
Krzem typu „n” i „p”
Aby wystąpił efekt fotowoltaiczny, do kryształu krzemu wprowadza się domieszki fosforu (P) lub boru (B).
Fosforem domieszkuje się tzw. krzem typu n – atom fosforu zajmuje miejsce jednego atomu krzemu. A że ma 5 elektronów walencyjnych, czyli o jeden więcej niż atom krzemu, pojawia się dodatkowy elektron pozbawiony pary.
Krzem typu p uzyskuje się przez domieszkowanie borem. Tutaj również atom boru zastępuje jeden atom krzemu. Ma on 3 elektrony walencyjne, czyli o 1 mniej niż atom krzemu. Tym samym, w krysztale pojawia się tzw. dziura.
Złącze typu p-n
Łącząc ze sobą dwa rodzaje półprzewodników, miejsce w którym się stykają nazywa się złączem p-n (tzw. warstwa przejściowa).
Gdy do ogniwa fotowoltaicznego doprowadzimy niewielką ilość energii, np. promieniowanie słoneczne czy światło sztuczne, nastąpi wzbudzenie dodatkowego elektronu i oderwanie go od orbity walencyjnej atomu fosforu. Nadmiar elektronów z obszaru „n” przepłynie przez złącze p-n, do obszaru „p”. Elektrony zapełnią dziury w obszarze „p”. W miejscu ucieczki elektronu z obszaru „n” pojawią się nowe dziury. Zjawisko to nosi nazwę prądu dziurowego.
Jeśli do obszarów „n” i „p” doprowadzimy metalowe kontakty (elektrody), to na kontakcie obszaru „p” otrzymamy ładunek ujemny, a na kontakcie obszaru „n” ładunek dodatni. Gdy zamkniemy obwód (np. podłączymy żarówkę), popłynie prąd elektryczny i żarówka będzie świecić.
Przerwa energetyczna
Jeśli elektron wytrącony z orbity walencyjnej (np. pod wpływem światła – fotonu), ma wystarczająco dużą energię, to może pokonać tzw. przerwę energetyczną półprzewodnika (z ang. bandgap). Następuje wówczas przepływ prądu elektrycznego.
Przerwa energetyczna zależy od rodzaju materiału i dla krzemu (Si), wynosi: 1,11 eV (eV – elektronowolt).

Bibliografia:

Instalacje fotowoltaiczne, wydanie V; Bogdan Szymański, GLOB Energia 2016r.
Systemy fotowoltaiczne i słoneczne systemy grzewcze. Praktyczny poradnik instalatora; M.Dębowski i inni, ATUM 2016 r.