Nieuw testprotocol toont groot kwaliteitsverschil tussen pv-panelen

Om de kwaliteit van pv-panelen te borgen, gebruiken fabrikanten testmethoden waarbij panelen worden blootgesteld aan fysieke druk en temperatuurwisselingen. Volgens onderzoekers aan de Universiteit van Florida voldoen deze tests echter niet om zekerheid te krijgen over efficiëntiebehoud op de lange termijn. Met een aangepast testprotocol hebben ze vier typen panelen op de pijnbank gelegd, met een opmerkelijk resultaat.

Volgens Eric Schneller, onderzoeker aan het Florida Solar Energy Center van de University of Central Florida, staan pv-panelen bloot aan uiteenlopende fysieke invloeden die voor cracks kunnen zorgen. “Daarbij gaat het om menselijk handelen, zoals tijdens transport en bij de installatie. Maar ook weersinvloeden spelen een rol, zoals sneeuw, wind en extreme temperatuurwisselingen.” Cracks hebben volgens hem serieuze gevolgen: “Ze zorgen voor afnemende prestaties van het paneel, en er kunnen ‘dead area’s’ door ontstaan. Die leiden tot spanningverschillen waardoor de prestaties verder afnemen. Daarnaast veroorzaken cracks soms zogeheten ‘hot spots’ die in het ergste geval een veiligheidsrisico - in de vorm van brandgevaar - vormen. “

Om de vorming van cracks tegen te gaan, voeren fabrikanten tests uit om te bepalen hoe en wanneer cracks ontstaan. Volgens Schneller voldoen die tests echter niet. Ze gaan met name voorbij aan het feit dat cracks die op ‘moment 1’ worden gevormd de problemen vergroot die op ‘moment 2’ door andere omstandigheden worden veroorzaakt. Ter illustratie geeft Schneller een voorbeeld: het gewicht van een sneeuwpakket op een paneel kan microcracks veroorzaken die, zodra de sneeuw wegsmelt en de gewichtsdruk afneemt, vanzelf weer kunnen sluiten. Als hetzelfde paneel vervolgens, dus op ‘moment 2’, wordt blootgesteld aan een hoge piektemperatuur of vibraties door harde wind, kunnen diezelfde microcracks zich weer openen en verder ontwikkelen, met mogelijk vermogensverlies als gevolg.

Testprotocol met 4 stappen

Om de gevolgen van achtereenvolgende momenten met fysieke en thermische druk in kaart te brengen, ontwikkelde Schneller een nieuw testprotocol. Dit ‘Mechanical Evaluation’-protocol telt vier stappen die een paneel achtereenvolgens moet doorstaan. Bij de eerste stap wordt de voorzijde van het paneel een uur lang blootgesteld aan een fysieke druk van 5.400 Pa. Hiermee wordt de situatie gesimuleerd waarbij het paneel is bedekt met een behoorlijke laag sneeuw. Hierbij kunnen microcracks ontstaan, maar zoals gezegd neigen deze cracks ernaar zich weer te sluiten zodra de fysieke druk afneemt.
Bij de tweede test binnen het protocol wordt hetzelfde paneel duizend keer achter elkaar kortstondig blootgesteld aan 1.000 Pa. In een veldsituatie kan deze druk ontstaan door langdurig terugkerende windstoten. Een mogelijk gevolg ervan is dat cellen elektrisch worden geïsoleerd, wat tot capaciteitsverlies leidt. Bij de daaropvolgende derde test wordt het paneel blootgesteld aan 50 cycli met flinke temperatuurverhogingen en 10 cycli met vorst en vochtigheid, om sterk wisselende weersomstandigheden te simuleren. Behalve dat hierdoor nieuwe microcracks worden gecreëerd, kunnen bestaande microcracks worden ‘opengetrokken’ tot echte cracks, en bovendien bestaat de kans dat de verschillende lagen waaruit het paneel is opgebouwd loslaten. De tweede en derde test in het protocol zijn overigens ook onderdeel van gangbare testprocedures, maar niet in een cyclus waar een fysieke druktest aan voorafgaat en ook nog een test op volgt. Die opvolgende test is de laatste en vierde stap in Schnellers protocol, en een herhaling van de tweede test: het paneel krijgt opnieuw duizend keer 1.000 Pa te verduren.

Resultaten per paneeltype
Het team van Schneller heeft het nieuwe protocol gebruikt om vier bekende module-ontwerpen op de pijnbank te leggen: Mono-PERC, Multi-PERC, Mono-PERT en de fotovoltaïsche HIT®-module (zie kader). Na elke stap zijn de panelen onderzocht om de schade en het vermogensverlies in beeld te brengen. Opmerkelijk is daarbij dat ieder module-type anders op elk van de vier stress-testen reageert. Na afronding van de eerste stap (5.400 Pa druk) bleek het HIT®-paneel geen enkele schade te hebben opgelopen. Bij het Mono-PERC-paneel bleef de schade beperkt tot vier cracks, het Mono-PERT-paneel telde er zeven, en het Multi-PERC-paneel liefst 37.
Bij de tweede test (duizend x 1.000 Pa) liepen het HIT®-, Mono-PERC- en Mono-PERT-paneel geen nieuwe schade op. Het Multi-PERC-paneel was er aanmerkelijk slechter aan toe. Door de lange reeks mechanische drukmomenten bleken in test 1 ontstane microcracks weer te zijn geopend en verder te zijn opengescheurd, met zware schade als gevolg. Door de derde stap (piektemperaturen, vorst en vocht) werd nauwelijks aanvullende schade aangericht, behalve bij het mono-PERT-paneel dat verschillende nieuwe cracks opliep. De laatste test (duizend keer 1.000 Pa) leidde ertoe dat bij het Mono-PERC-paneel zes - en bij zowel het Mono-PERT- als Multi-PERC-paneel ‘talloze’ nieuwe cracks werden aangetroffen. Opmerkelijk genoeg wist het HIT®-paneel deze test volledig ongeschonden te doorstaan. Volgens Schneller is dat laatste waarschijnlijk te danken aan het specifieke ontwerp van de verbindingen, en het gebruikte foliemateriaal bij dit paneel.

Eindafrekening per paneel                                                                                                                                                   Na afronding van het volledige protocol werd bij de vier paneeltypen de uiteindelijke ‘totaalschade’ in beeld gebracht en het aantal opgelopen cracks geteld. Het grootste aantal - 54 - werd aangetroffen bij het Multi-PERC-paneel. Het Mono-PERT-paneel volgde op korte afstand, met 45 cracks. Het Mono-PERC-paneel kwam veel beter uit de tests, met 11 cracks, en de absolute winnaar bleek het HIT®-paneel. Hier werd precies 1 crack aangetroffen – maar volgens de onderzoekers mocht die niet worden meegeteld omdat hij was veroorzaakt door onjuist transport van het paneel.
De meest interessante uitkomst van de testreeks is uiteraard welke gevolgen hij heeft voor het vermogen dat de panelen leveren. Ook hierbij toonde het onderzoeksteam grote verschillen aan. Het Multi-PERC-paneel bracht het er het slechtst van af en leverde uiteindelijk bijna 10 procent in. Het Mono-PERT-paneel leverde na de vier cycli 3,5 procent minder vermogen, en het Mono-PERC-paneel ongeveer 2,5 procent. Grote ‘winnaar’ van de test bleek het HIT®-paneel, dat na het doorlopen van de volledige testprocedure geen enkel vermogensverlies toonde.

Het geheim achter HIT®                                                                                                                                                      De belangrijkste vraag die rest is waarom HIT®-panelen veel beter bestand blijken tegen een lange reeks tests met fysieke en thermische druk. Volgens Panasonic, uitvinder en ook de enige fabrikant van HIT®-panelen, blijkt uit het onderzoek in Florida in ieder geval dat strenge interne kwaliteitsprocedures vruchten afwerpen. De fabrikant hanteert een eigen testprotocol dat net als het protocol van Schneller veel verder gaat dan wat gangbaar is in de markt en in richtlijnen van het IEC (International Electrotechnical Commission) is omschreven. Zo schrijft het IEC voor tests bijvoorbeeld een ‘koude/hitte’-shocktest in een klimaatkamer met temperatuurwisselingen van +85 naar -40 °C voor. Volgens de richtlijnen moet zo’n temperatuurwisseling 200 keer achter elkaar plaatsvinden, maar Panasonic gaat uit van 600 cycli, om extra zekerheid over de betrouwbaarheid van zijn panelen in te bouwen. “Overigens hebben we ook concurrerende panelen aan onze tests onderworpen”, vertelt Andreas Thoma, business development bij Panasonic Duitsland. “Daarbij bleek dat na die 600 cycli de HIT®-panelen slechts een paar procent vermogensverlies toonden, terwijl concurrerende panelen tot 23 procent inleverden.”

Volgens Thoma zijn die betere resultaten het gevolg van een productieproces waarbij onder meer een andere manier wordt gebruikt om de tabs in het paneel vast te zetten. “Doordat er minder spanning op de tabs staat, zijn ze beter bestand tegen grote temperatuurverschillen en laten ze niet los. Bij andere panelen gebeurt dat soms wel, met aanzienlijk vermogensverlies als gevolg.” Dat het HIT®-paneel bij de test in Florida niet alleen de temperatuurcycli maar ook de fysieke stresstest veel beter doorstond, is volgens Thoma te danken aan een geoptimaliseerd frame-ontwerp, het gebruik van kleinere, flexibeler cellen, en de toepassing van speciale laagtemperatuur-techniek om de cellen aan elkaar te koppelen.

PERC, PERT en HIT®
• Bij PERC-technologie (Passivated Emitter and Rear Cell, soms ook wel Passivated Emitter and Rear Contact genoemd) zijn aan de achterzijde van de cellen een of meer extra lagen toegevoegd. Deze extra laag of lagen kaatsen zonlicht terug dat niet door de cellen is geabsorbeerd, zodat de kans bestaat dat het alsnog wordt ‘gevangen’.
• PERT-cellen (Passivated Emitter Rear Totally Diffused) hebben een efficiëntie-verhogend diffuse oppervlak aan de achterzijde. De productie vergt speciale technieken, reden waarom PERT hogere productiekosten met zich meebrengt dan PERC.

• HIT®-cellen (Heterojunction with Intrinsic Thin layer) zijn samengesteld uit een monokristallijne silicium wafer die wordt omhuld door een ultradunne siliciumlaag. Hierdoor worden de voordelen van kristallijne technologie (hoge productie) gecombineerd met die van amorfe technologie (gereduceerd elektronenverlies).