Mechanizmus vzniku a šíření vady fotovoltaických modulů známé jako šnečí cestičky

19. září 2019

Partneři sekce:

Článek se zaměřuje na detailnější analýzu mechanizmu vzniku a šíření vady fotovoltaických modulů známé jako šnečí cestičky.

Šnečí problémy začínají měnit svoji podobu. Zatímco v prvních letech výskytu fenoménu šnečích cest v ČR se stále tvrdilo, že cestičky nemají významný vliv na výkon fotovoltaického (PV) modulu, začíná se v posledním období v některých případech objevovat fakt trochu odlišný.

U jednoho modulu byly nedávno pozorovány změny EVA fólie právě v oblasti šnečích cest. Bohužel neznáme historii vzorku, u kterého byly změny pozorovány, ale dle prvního pohledu začíná být v oblasti cestiček patrný vznik bublinek EVA.

Teplotní degradací EVA fólie a vznikem bublinek jsme se zabývali v neveřejné studii pro jednoho z našich zákazníků – právě tehdy se podařilo prokázat korelaci mezi vzniklými bublinkami a teplotou, které byl PV modul vystaven.

Vše tedy nasvědčuje změnám v chování některých šnečích cestiček a jejich postupném přechodu do stavu malých lokálních hotspotů.

Obr. 1 Praskliny v různých typech křemíkových PV článků monokrystal zkosené rohy čtverec multikrystalický článek

Obr. 3 Prasklina článku s poškozením sběrnice

Obr. 4 Modul s jednoduchou krycí vrstvou PET

Co je „šnečí cesta“?

Praskliny článků

Křemíkový PV modul je složen z článků z monokrystalického nebo multikrystalického křemíku. Tloušťka těchto „destiček“ je přibližně 150 µm. Během doby se s rozvojem technologie PV modulů tato tloušťka mění. Destičky v roce 2000 dosahovaly tloušťky 180 µm, destičky dnešní se blíží hranici 120 µm.

Vzhledem k faktu, že většina instalací postižených fenoménem šnečích cestiček pochází z období kolem roku 2010, lze výše uvedených 150 µm považovat za odpovídající hodnotu. Křemíkový článek je křehký, náchylný k praskání.

Tyto praskliny se liší tvarem podle toho, či jde o monokrystal, článek se zkosenými rohy, nebo multikrystal, článek s ostrými rohy (obr. 1). Praskliny monokrystalu sledují rovinu snadného lomu, tedy uhlopříčku, a jsou spíše zaoblené. U multikrystalických článků sledují praskliny především hranice zrn.

Jak lze praskliny detekovat

Detekce prasklin není možná pouhým okem, praskliny jsou příliš jemné. Jeden ze způsobů, jak poškození PV článků zviditelnit, je elektroluminiscenční měření. Základem této metody je fakt, že pokud PN přechodem fotovoltaického článku prochází proud, přechod emituje elektromagnetické záření.

Vlnová délka tohoto záření záleží na šířce zakázaného pásu použitého polovodičového materiálu. Tento princip je využíván například u LED. Náš křemíkový článek tedy také „svítí“, bohužel na vlnové délce lidským okem neviditelné (při pokojové teplotě cca 1 100 nm).

Řešením tohoto problému je použití vhodné kamery. Na výsledném obrázku se pak prasklina jeví jako tmavé místo. Tím lze velmi účinně detekovat stav popraskání modulů.

Šnečí cesta

V současné době je již plně prokázán mechanizmus vzniku prasklin, nazývaných šnečí cestičky – na hranách praskliny dochází k fotochemické reakci stříbrné pasty, tvořící sběrnicový systém PV článku.

Prasklina článku se vizualizuje a odhaluje poškození článku bez toho, aby bylo nutno provádět laboratorní experimenty pomocí elektroluminiscence. Zdá se, že by bylo možné na jejich vznik pohlížet pozitivně. Bohužel to není pravda, protože další šíření šnečích cestiček může vést k nevratnému poškození PV elektrárny.

Životní cyklus šnečí cesty

Vývoj praskliny

Na počátku je prasklý PV článek. Prasklina je tzv. microcrack (mikroprasklina), tedy pouhým okem neviditelná (obr. 2). V této počáteční fázi není zpravidla patrná žádná degradace PV článku, protože prasklina je překlenuta sítotiskem nanesenými sběrnicemi.

Postupem času dochází k mechanickému pohybu obou prasklých částí. Zdrojem tohoto mechanického pohybu může být: tepelná roztažnost použitých materiálů, mechanické chvění způsobené větrem, pohyby způsobené zatížením sněhem.

V místě praskliny je tak postupně poškozována natištěná sběrnice a začínají vznikat trhliny. Taková trhlina pak již má vliv i na elektrické parametry článku (obr. 3).

Šnečí cesta

Jak již bylo řečeno, šnečí cesta je vizualizací praskliny. Tato vizualizace vzniká fotochemickým působením na stříbro obsažené ve sběrnici. Příhodnými podmínkami na proces fotochemického působení jsou dvě podmínky: první je přítomnost světelného záření, druhou vhodné chemické prostředí – vlhkost.

První podmínka je splněna již samotným účelem použití PV článku. Podmínka druhá pak předpokládá možnost interakce vnitřku článku s okolním prostředím. Zde je potřeba se detailně podívat na složení PV modulu (obr. 4).

Z přední strany je modul tvořen tvrzeným sklem; sklo jako materiál je pro vodní páry nepropustné. Zadní stěna modulu je tvořena tenkou vrstvou PET a samotný článek je pak zalaminován do dvojice EVA fólií (etyl-vinyl-acetát), které chrání článek především mechanicky. Samotná EVA fólie je mírně hygroskopická.

Celá tíže hermetizace modulu tak spočívá na zadní fólii. Právě u modulů vyráběných okolo roku 2010 výrobci ve snaze snížit cenu experimentovali a zaměřili se na optimalizaci tloušťky a struktury PET vrstvy.

Výsledkem bylo, že některé výrobní šarže umožnily splnění druhé podmínky pro fotochemickou reakci, tedy přítomnost vody. Prasklina pak působila jako kapilára, která dovedla vodu přímo k citlivé stříbrné sběrnici. Výsledkem je hnědavé zabarvení sběrnic – vznik šnečích cestiček.

Další vývoj šnečích cest

Zbarvení sběrnice s sebou nese i změny, které velmi pravděpodobně napomáhají další degradaci článku. Nicméně hlavním mechanizmem vedoucím k postupnému selhání je samotná prasklina. Změna elektrických parametrů (zvýšení odporu) má za následek lokální ohřívání sběrnice vlivem procházejícího proudu, které může vést až k šíření hotspotu.

Zároveň toto lokální ohřívání dále poškozuje článek v místě praskliny a způsobuje její zvětšování (obr. 6). Pokud se zabýváme otázkou, proč u některých modulů nedochází k vývoji šnečích cestiček, přestože jsou elektroluminscencí prokazatelné praskliny, je to z důvodů nesplnění druhé podmínky.

Samotní výrobci v reakci na výskyt cestiček upravili provedení zadní vrstvy tak, aby snížili pronikání vlhkosti do modulu (obr. 7), kde je patrné doplnění izolační mezivrstvy PTFE. U takto vybavených modulů se šnečí cesty zatím neobjevují.

Shrnutí

Šnečí cesty jsou patrny na PV modulech z poměrně krátkého výrobního období kolem let 2010. V současné době jsou již moduly dostatečně chráněny před tímto fenoménem.

Z provozního hlediska lze doporučit v případě výskytu šnečích cest na PV elektrárně jejich pravidelnou kontrolu, spočívající především v sledování vývoje prasklin. Vhodným nástrojem je fotodokumentace zaznamenávající vývoj vady.

Rychlost vývoje vady není příliš velká, pozorovatelné změny jsou v intervalu jednoho roku až dvou let. U elektráren s masivním výskytem prasklin je potřeba počítat s rychlejší degradací systému.

Vzhledem k faktu, že jde o vizualizovanou prasklinu, není s podivem, že se tento jev vyskytuje především na systémech s moduly nižší kvality.

Poděkování
Tento článek vznikl za podpory Laboratoře diagnostiky fotovoltaických systémů FEL ČVUT, která se ve spolupráci se svými významnými zákazníky dlouhodobě zabývá diagnostikou šnečích cest.