Die potenzialinduzierte Degradation tritt bei Dünnschichtmodulen und solchen aus kristallinem Silizium auf. Hier wird das Thema für kristalline Module beleuchtet.

Was ist potenzialinduzierte Degradation?

Als potenzialinduzierte Degradation (PID) wird ein Phänomen genannt, das zu einem wachsenden Leistungseinbruch bei Solarmodulen führen kann - ausgelöst durch unerwünschte Bewegungen von Ladungsträgern im Modul. Unterschieden werden drei Wirkungen: ein Kurzschluss des p-n-Übergangs in der Zelle (PID-s), die Korrosion der Zelle (PID-c) und die Beeinträchtigung der Passivierung der Zelle (PID-p). Am häufigsten festgestellt wurde PID-s bei kristallinen Modulen aus p-Typ-Solarzellen - mit einem Leistungseinbruch um bis zu 50 Prozent. Aber: Die Degradation ist reversibel, ganz oder teilweise.

Bei welchen Modulen kann PID auftreten?

PID ist bislang bei kristallinen Modulen verschiedener Art aufgetreten: solchen aus n-Typ-Zellen und aus p-Typ-Zellen, mit einfacherer Aluminium-Rückseite (Al-BSF-Zelle), wie Solarzellen bis 2018 mehrheitlich hergestellt wurden, und mit zusätzlicher dielektrischer Schicht, wie sie die nunmehr dominierenden PERC-Zellen haben. Von außen ist einem Modul PID nicht anzusehen.

Wie wurde PID bekannt?

Erstmals im Feld beobachtet wurde PID 2006 bei Modulen von Sunpower. 2008 meldete die Firma Evergreen Solar ähnliche Probleme - bei Modulen, auf die Kontakte mit einem modifizierten Verfahren aufgebracht worden waren. Beide Firmen untersuchten den Leistungsabfall und erkannten: Aufgrund eines Potenzialunterschieds zwischen Modul und Erdboden kam es zu einer unerwünschten Ansammlung von Ladungsträgern. Diese löste sich wieder auf, wenn der Potenzialunterschied umgekehrt wurde. Sunpower empfahl dazu, für eine Stunde eine Spannung von minus 1.000 Volt gegen Erde anzulegen. Evergreen rüstete betroffene Anlagen mit einer Box nach, die nachts ein positives Potenzial am Generator gegenüber Erde aufbaute.

Wann wurde PID ein Thema für die ganze Solarbranche?

Schien PID zunächst ein Thema der rückkontaktierten Hochleistungszellen von Sunpower und der sehr dünnen String-Ribbon-Zellen von Evergreen zu sein, erkannte die Industrie 2010, dass auch die marktbeherrschenden Module aus p-Typ-Zellen PID zeigten. Dazu trugen auch die zunehmend höheren Systemspannungen von PV-Anlagen bei. 

Welche Faktoren beeinflussen PID?

Neben der Höhe des Potenzialunterschieds gibt es vier weitere Faktoren, die PID begünstigen: Feuchtigkeit, warme Luft, Verschmutzung der Module und diffuses Licht. Das bedeutet: PV-Anlagen in Südeuropa und in Küstennähe sind häufiger betroffen als Anlagen in Deutschland abseits von Nord- und Ostsee. Die Anlage, die PID auf die Agenda der ganzen Branche setzte, befand sich auf Mallorca.

Was passiert im Modul bei PID?

Bei p-Typ-Solarzellen lösen sich aus dem Frontglas positive geladene Natrium-Ionen, die bei vorhandenem negativen Potenzialunterschied zwischen Modul und Erde durch Einkapselungsmaterial und Antireflexschicht wandern, sich an der Grenzfläche der Siliziumzelle anlagern und schließlich ins Silizium diffundieren, wenn es im Kristallgitter winzige Defekte gibt. Die Ionen sorgen für einen Kurzschluss des p- und n-Gebiets der Zelle. Die Folge: Die Leistung sinkt. Bei Zellen aus n-Typ-Silizium sind die Abläufe etwas anders, aber auch in diesen entstehen Leckströme durch einen Potenzialunterschied zwischen Modul und Erde.

Was macht die Industrie gegen PID?

Die Hersteller können die Anfälligkeit der Module für PID verringern: Glas-Glas-Module sind weniger anfällig für PID. Das liegt daran, dass durch die Rückseitenfolie eines Glas-Folien-Moduls Feuchtigkeit diffundieren kann, so dass sich aus dem Frontglas Ionen lösen können. Durch ein Einkapselungsmaterial mit höherem Widerstand, so dass positive Ionen es schwerer haben, durch das Material zu wandern. Hat die Siliziumnitridschicht auf den Zellen eine höhere Leitfähigkeit, ist die Spannung über der Schicht im Fall eines Leckstroms geringer und die Metallionen werden weniger von der Zelle angezogen. Über diesen Hebel haben die meisten Hersteller nach 2010 das Problem in den Griff bekommen, schätzen Experten. Über eine Prüfung nach IEC 62804 in einem Testlabor, weisen die Hersteller ihre Produkte als "PID-frei" oder "PID-safe" aus.

Potentiaalgeïnduceerde degradatie treedt op in dunne-film modules en modules gemaakt van kristallijn silicium. Het thema wordt hier bekeken voor kristallijne modules.

Wat is potentieelgeïnduceerde degradatie?

Potentiaalgeïnduceerde degradatie (PID) is een fenomeen dat kan leiden tot een toenemende daling van de prestaties van zonnepanelen - veroorzaakt door ongewenste bewegingen van ladingsdragers in het zonnepaneel. Er wordt hierbij verschil gemaakt tussen drie effecten: kortsluiting van de p-n junctie in de cel (PID-s), corrosie van de cel (PID-c) en aantasting van de passivering van de cel (PID-p). PID-s werd het vaakst aangetroffen in kristallijne modules gemaakt van p-type zonnecellen - met een daling van de prestaties tot 50%. De degradatie is echter omkeerbaar, geheel of gedeeltelijk.

Bij welke modules kan PID voorkomen?

PID is tot nu toe opgetreden in kristallijne modules van verschillende typen: modules gemaakt van n-type cellen en p-type cellen, met een eenvoudigere aluminium achterkant (Al-BSF-cel), zoals zonnecellen tot 2018 meestal werden geproduceerd, en met een extra diëlektrische laag, zoals het geval is bij de nu dominante PERC-cellen. PID is niet zichtbaar aan de buitenkant van een module.

Hoe is PID bekend geworden?

PID werd in 2006 voor het eerst in het veld waargenomen bij Sunpower-modules. In 2008 meldde Evergreen Solar soortgelijke problemen - met modules waarop contactpunten waren aangebracht met behulp van een aangepast proces. Beide bedrijven hebben de prestatievermindering onderzocht en erkend: Door een potentiaalverschil tussen de module en de aarde was er een ongewenste ophoping van ladingsdragers. Dit verdween weer als het potentiaalverschil werd omgekeerd. Sunpower adviseerde om een uur lang een spanning van min 1.000 volt op de aarde te zetten. Evergreen rustte de getroffen systemen achteraf uit met een kastje dat 's nachts een positief aardpotentiaal opbouwde bij de generator.

Wanneer werd PID een probleem voor de hele zonne-energiesector?

Terwijl PID aanvankelijk een probleem leek te zijn voor de teruggecontacteerde hoogwaardige cellen van Sunpower en de zeer dunne stringbandcellen van Evergreen, realiseerde de industrie zich in 2010 dat de marktdominante modules van p-type cellen ook PID vertoonden. De steeds hogere systeemspanningen van PV-systemen droegen hier ook aan bij.

Welke factoren beïnvloeden PID?

Naast het niveau van het potentiaalverschil zijn er vier andere factoren die PID versterken: vochtigheid, warme lucht, vervuiling van de modules en diffuus licht. Dit betekent dat PV-systemen in Zuid-Europa en aan de kust vaker worden beïnvloed dan systemen in Duitsland, die niet aan de Noord- en Oostzee liggen. De installatie die PID op de agenda van de hele industrie zette, stond op Mallorca.

Wat gebeurt er in de module bij PID?

In het geval van PID (Potential Induced Degradation) treden er negatieve effecten op in het paneel. Bij p-type zonnecellen lossen positief geladen natriumionen zich op uit het voorruitglas. Deze ionen migreren door het inkapselingsmateriaal en de antireflectiecoating wanneer er een negatief potentiaalverschil bestaat tussen het paneel en de aarde. Ze hechten zich aan het grensvlak van de siliciumcel en diffunderen uiteindelijk in het silicium, vooral wanneer er kleine defecten in het kristalrooster aanwezig zijn. Dit leidt tot een kortsluiting tussen het p- en n-gebied van de cel, wat op zijn beurt resulteert in een vermogensafname. Bij zonnecellen van het n-type verlopen de processen iets anders, maar ook hier ontstaan lekstromen als gevolg van een potentiaalverschil tussen het paneel en de aarde.

Wat doet de industrie om PID te bestrijden?

Fabrikanten kunnen de gevoeligheid van modules voor PID verminderen: glas-glas modules zijn minder gevoelig voor PID. Dit komt doordat vocht door de backsheet van een glas-folie module kan diffunderen, waardoor ionen uit het voorste glas kunnen vrijkomen. Een inkapselingsmateriaal met een hogere weerstand maakt het moeilijker voor positieve ionen om door het materiaal te migreren. Als de siliciumnitridelaag op de cellen een hogere geleidbaarheid heeft, is de spanning over deze laag kleiner in het geval van een lekstroom en worden de metaalionen minder aangetrokken door de cel. Experts schatten dat de meeste fabrikanten het probleem na 2010 hebben aangepakt met deze methode. Fabrikanten labelen hun producten als "PID-vrij" of "PID-veilig" door ze in een testlaboratorium te testen volgens IEC 62804.

Hoe voorkomen installateurs PID?

In vochtige en warme regio's is het misschien niet voldoende om te vertrouwen op "PID-safe". Het type installatie kan ook helpen om PID te voorkomen. PID wordt veroorzaakt door een hoog potentiaalverschil tussen de modules en de aarde - met andere woorden, hoe hoger de systeemspanning van een installatie, hoe groter het risico op PID. Bij cellen van het p-type is dit een negatieve potentiaal van de modules ten opzichte van aarde; bij cellen van het n-type is dit een positieve potentiaal van de modules ten opzichte van aarde. Als de omvormer het toelaat, kan de negatieve of positieve pool van de modulegenerator worden geaard. In dit geval treedt er geen PID op. Hiervoor moet een omvormer met transformator worden gebruikt. Bij transformatorloze omvormers kan een extra apparaat worden gebruikt om de potentiaal 's nachts om te keren, zoals Evergreen gebruikt.

Wat te doen als een systeem mogelijk is aangetast door PID?

Als een recent geïnstalleerd systeem een vrij lage prestatie laat zien, moet het worden gecontroleerd. Als er sprake is van PID-s, kan de rendementsdaling worden omgekeerd en hoe minder ver de degradatie is voortgeschreden, hoe vollediger de omkering. PID-s kunnen worden herkend door de prestaties ter plekke te meten en thermografische en/of elektroluminescentiebeelden te maken in het veld of in een testlaboratorium. Het achteraf inbouwen van boxen om de potentiaal 's nachts om te keren of het aarden van de negatieve pool kan ook op een later tijdstip worden uitgevoerd.

Auteur: Ines Rutschmann

Tip bij vermoeden van PID:

In het testcentrum van SecondSol kunt u modules laten testen met thermografie en elektroluminescentie. U kunt ook geschikte PID boxen of vervangende modules vinden op deSecondSol online marktplaats.

Wie beugen Installateure PID vor?

In feuchten und warmen Regionen kann es nicht reichen, sich auf "PID-safe" zu verlassen. Durch die Art der Installation lässt sich zusätzlich vorbeugen. Auslöser von PID ist ein hoher Potenzialunterschied zwischen den Modulen und Erde - das heißt, je höher die Systemspannung einer Anlage, desto höher das Risiko für PID. Bei p-Typ-Zellen handelt es sich um ein negatives Potenzial der Module gegen Erde; bei n-Typ-Zellen um ein positives Potenzial der Module gegen Erde. Lässt es der Wechselrichter zu, kann der negative bzw. positive Pol des Modulgenerators geerdet werden. Dann tritt PID nicht auf. Dazu ist ein Wechselrichter mit Transformator zu verwenden. Bei trafolosen Wechselrichtern kann ein Zusatzgerät zur Potenzialumkehr bei Nacht eingesetzt werden, wie es Evergreen genutzt hat.

Was tun, wenn eine Anlage womöglich von PID betroffen ist?

Zeigt eine kürzlich installierte Anlage eher niedrige Erträge, sollte sie überprüft werden. Liegt PID-s vor, kann der Leistungsabfall umgekehrt werden und zwar umso vollständiger, je weniger fortgeschritten die Degradation ist. Zu erkennen ist PID-s über eine Leistungsmessung vor Ort und Thermografie- und/oder Elektrolumineszenzaufnahmen im Feld oder in einem Testlabor. Die Nachrüstung von Boxen zur Potenzialumkehr nachts oder die Erdung des negativen Pols können auch nachträglich noch erfolgen.

Autorin: Ines Rutschmann

Tipp bei Verdacht auf PID:

Im Testcenter von SecondSol können Sie Module per Thermografie- und Elektrolumineszenzaufnahmen prüfen lassen. Auch passende PID-Boxen oder Ersatzmodule finden Sie auf dem Onlinemarktplatz von SecondSol.