מצבי כשל חמורים בטכנולוגיית תאים סולאריים (פוטו־וולטאיים) דו־צדדיים

אמינותם של תאים סולאריים דו־צדדיים

טכנולוגיית תאים סולאריים (פוטו־וולטאיים) דו־צדדיים זכתה לאורך השנים לעניין רב מהתעשייה, על רקע פוטנציאל הפקת האנרגיה הגבוה שלה. תאים סולאריים דו־צדדיים קולטים יותר אור שמש בשיעור של 5% עד 20% לעומת תאים סולאריים חד־צדדיים, מכיוון שהם קולטים אור גם מצידם האחורי ואפשר לייצר אותם בקווי ייצור קיימים. לאחרונה הפכו תאים סולאריים דו־צדדיים לזמינים מסחרית, ונתח השוק שלהם גדל במהירות. פאנלים סולאריים (פוטו־וולטאיים) דו־צדדיים מותקנים כיום בחוות סולאריות ועל גגות, במקומות שבהם אפשר להחזיר את קרינת השמש מפני השטח, כך שהיא תיקלט על ידי צידם האחורי של הפאנלים הסולאריים. מחקר שעורכת imec קיבל לאחרונה זריקת מרץ בדמות שיתוף הפעולה עם Jolywood, יצרנית התאים הסולאריים הדו־צדדיים TOPCon מסוג N המובילה בעולם, שמטרתו להביא לשוק תאים ופאנלים סולאריים בתפוקה גבוהה יותר.

עם זאת, שרשרת הערך הכוללת, ובפרט מוסדות פיננסיים, מתייחסים לטכנולוגיה החדשה בחשדנות. פרויקטים סולאריים נבנים בדרך כלל לתקופה של 30 שנה ודורשים הון ראשוני להקמה. ומנגד, יש צורך בהמשך מאמצי מחקר, פיתוח ובדיקה לשיפור יעילותם ואמינותם של תאים סולאריים דו־צדדיים. הבנה טובה יותר של מנגנוני הכשל וכיצד למנוע אותם היא אחד המפתחות למימוש הפוטנציאל המסחרי של תאים סולאריים דו־צדדיים.

PID : סחיפת יונים (לרוב יוני נתרן, Na ) לכיוון התא הסולארי תחת שדה חשמלי
(חזק (החצים הירוקים.

ירידת תפוקה בשל פוטנציאל מושרה (Potential-induced degradation, או בקיצור ולהלן: PID) היא תופעה כימית־פיזיקלית שפוגעת באמינותם של תאים סולאריים דו־צדדיים ואף מובילה לכשל מוחלט של תאים סולאריים, פאנלים סולאריים דו־צדדיים ומערכות סולאריות שלמות. מקור התופעה הוא מפל המתחים במערכת לסחיפת יונים (בדרך כלל יוני נתרן) לכיוון התא הסולארי. היונים האלה משבשים את תפקודם התקין של התאים הסולאריים ומובילים לאובדן יעילות ההמרה של אנרגיית השמש. בשעה שנכנסות אל השוק מערכות סולאריות במתחים של עד ל־1,500 וולט, כאמצעי להוזלת עלויות ההקמה של חוות סולאריות בתפוקה גבוהה, הופכת תופעת ה־PID לבעיה גדולה עוד יותר.

PID: סחיפת יונים (לרוב יוני נתרן, Na) לכיוון התא הסולארי תחת שדה חשמלי חזק (החצים הירוקים).

תופעת ה־PID תלויה לא רק בעוצמת השדה החשמלי, אלא גם בקוטביות שלו. זאת הסיבה שפאנלים סולאריים הממוקמים קרוב לקוטב החיובי של הטור (הסטרינג) לא מושפעים מתופעת ה־PID, מכיוון שיוני הנתרן נסחפים הרחק מהתאים הסולאריים שלהם. הירידה בתפוקה מופיעה בדרך כלל בקוטב השלילי של הפאנל הסולארי, ומתפשטת בהדרגה לכיוון המרכז. אמנם תופעת ה־PID מתרחשת גם בתאים סולאריים חד־צדדיים, אבל היא גורמת נזק גדול יותר בתאים סולאריים דו־צדדיים הנתונים בתוך מסגרת זכוכית, מכיוון שהיא עלולה להופיע בשני הצדדים. כמו כן, נדמה גם שהתקנים עדינים יותר, עם שכבות סיליקון דקות יותר, רגישים יותרלתופעה, ולכן נדרש מחקר יסודי בתחום תאי TOPCon ותאים מתקדמים נוספים.

אסתר ורושזי, מנהלת המו”פ בתחום טכנולוגיות ומערכות פוטו־וולטאיות ב־imec מסבירה: “כשמדובר באמינות, תופעת ה־PID היא אחד מהאתגרים הגדולים ביותר של השימוש בטכנולוגיית פאנלים סולאריים דו־צדדיים.  הפאנל הסולארי נראה תקין מבחוץ, אבל לסחיפת היונים הקטנים בתוכו יש השפעה הרסנית. סחיפת יונים מהירה עלולה להוביל להרס המערכת כולה תוך מספר חודשים. בחוות סולאריות עם טורים ארוכים של פאנלים סולאריים (סטרינגים), התופעה עשויה להתקדם לאט מספיק כדי למנוע את גילויה במשך שנים, ולהוביל לירידת תפוקה והפסד הכנסות משמעותי. יש צורך בפיתוח שיטות בדיקה ודימות חדשות לגילוי התופעה. כמו כן, לא מספיק לבנות רק ידע אקדמי בנושא. על מנת להציע פתרונות מתאימים, צריך להבין את דרישות התעשייה ותנאי הגבול.”

מציאת הגורם לתופעת ה־PID

imec, ביחד עם אוניברסיטת האסלט, כחלק ממיזם EnergyVille, צברו ידע רב בהבנת התהליכים הפיזיקליים הגורמים לתופעת ה־PID ופיתחו שיטות בדיקה אמינות. דוגמה אחת היא שאלת מקור היונים. מחקר קודם הראה שסוג מסוים של PID (‘PID מסוג הצדה’, או PID-s בקיצור) נגרם בשל יוני נתרן העוברים בדיפוזיה אל פרוסות הסיליקון ומובילים לתקלות והצדה בתא. עם זאת, עדיין לא ברור מאין מגיע הנתרן. ייתכן שמקורו של הנתרן בכיסוי זכוכית ה־Soda Lime של הפאנל, ואולי הוא כבר קיים על משטח הפאנל הסולארי עוד לפני תהליך הציפוי בזכוכית. תוצאות של סדרת בדיקות מקיפות הראו כי כיסוי זכוכית ה־Soda Lime הקדמי תורם להאצת התפשטות תופעת ה־PID. למעשה, בפאנלים סולאריים ללא כיסוי זכוכית Soda Lime קדמי כלל לא נמצאה ירידה בתפוקה גם לאחר 300 שעות של בדיקת מאמץ לעידוד הופעת תופעת ה־PID. ממצא זה תומך בהשערה שזכוכית Soda Lime היא המקור שממנו מגיע הנתרן למערכת.

מחקר נוסף התמקד בתהליכים הפיזיקליים לתופעת ה־PID בתאים סולאריים דו־צדדיים מסוג p-PERC, מכיוון שההשערה היא שיש יותר מתהליך פיזיקלי אחד לתופעה. ואמנם, התוצאות הדגימו שילוב של תופעות PID-s (‘PID מסוג הצדה’) ו־PID-p (‘PID מסוג קיטוב’). תופעת PID מסוג קיטוב גורמת לירידה זמנית והפיכה ביעילות שכבת הפסיבציה שמובילה לירידה בתפוקת הפאנל הסולארי כולו בשל עלייה ברקומבינציה על פני שטח התא. כמו כן, החוקרים הצליחו לזהות חתימה אופיינית של שני מנגנוני הירידה בתפוקה באמצעות מדידות IV (זרם־מתח) ו־EQE (יעילות קוונטית חיצונית).

תופעת PID דו־צדדית בתאים סולאריים מסוג p-PERC בתוך פאנל עם ציפוי זכוכית.

האתגרים בפיתוח תקן בדיקה

תוצאות ושיטות הבדיקה ממשיכות להיחקר במחקרים להערכת אמינותם של תאים סולאריים (פוטו־וולטאיים). שיטת מקובלת ומוסכמת אחת לבדיקת תופעת ה־PID מתוארת בהנחייה EC TS 62804-1. בבדיקת הרדיד, מופעל מתח של 1,000 עד 1,500 וולט בין רשת התאים הסולאריים ורדיד מוליך נוגע בציפוי הזכוכית של הפאנל הסולארי. בשלב הבא, מוכנס הפאנל הסולארי לתא אקלים שבו תנאי חום לח המדמים את תנאי סביבה הקשים השוררים בשטח.

בדרך כלל מופעל מתח PID רק על צד אחד של פאנלים סולאריים דו־צדדיים באמצעות שימוש ברדיד המוליך רק  בצד אחד של הפנאל הסולארי. הודגם בעבר כי תאים סולאריים דו־צדדיים שעליהם מופעל מתח PID בצידם האחורי מציגים את אותה ירידה בתפוקה כמו תאים שעליהם הופעל מתח PID בחלקם הקדמי, ולכן מוסכם כי מנגנון הירידה בתפוקה זהה ולצד שעליו מופעל מתח ה־PID חשיבות שולית.

אולם, מחקר שנערך לאחרונה ב־EnergyVille (המיזם המשותף של imec ואוניברסיטת האסלט) הראה כי בדיקה כשהרדיד נוגע רק בצד אחד של הפאנל הסולארי, מבלי לנקוט באמצעים נוספים, מובילה לתוצאות מטעות. יורן קרולוס, פוסט-דוקטורנט באוניברסיטת האסלט ו־EnergyVille: “בסדרת ניסויים שביצענו הבחנו שביצועי התאים הסולאריים הדו־צדדיים יורדים בפתאומיות בצד שעליו לא מופעל מתח ה־PID. בדיקת ה־PID הובילה שלא בכוונה ליצירת שדה חשמלי בין תא האקלים וצד התא הסולארי שלא היה חשוף למתח הבדיקה. השדה החשמלי יוצר מטענים חיוביים הנודדים לכיוון התא הסולארי ופוגעים ביעילותו.”

דוגמה למתרחש בתוך תא האקלים במהלך הפעלת מתח PID על הצד האחורי. (A) נוצר שדה חשמלי לא מכוון בין מסגרת ההארקה של תא האקלים (מתח 0 וולט) והצד הקדמי של התא הסולארי (מתח של 1,000 וולט); (B) יצירת קצר בצד שעליו לא מופעל המתח מונעת את היווצרות השדה החשמלי הזה.

 “הצענו שיטות בדיקה משופרות ואת ההתאמות הנדרשות לבדיקה לפי תקן IEC כשמפעילים מתח PID על תאים סולאריים דו־צדדיים. יש לנקוט בצעדי מנע, כולל יצירת קצר בין הזכוכית בצד שעליו לא מופעל המתח לבין התא הסולארי, באמצעות מקור מתח גבוה צף; או החלפת ציפוי הזכוכית בציפוי העמיד לתופעת ה־PID בצד שעליו מופעל המתח.”

פתרון לתופעת PID מכל הסוגים

מניעת תופעת ה־PID ושיפור אמינותם של התאים הסולאריים הדו־צדדיים מחייבים גישה מערכתית. תחילה, צריך להתאים את המערכת לשימוש. פאנלים סולאריים להתקנה על הגג שונים מפאנלים סולאריים המיועדים לחווה סולארית. שנית, יש לבנות מערך הגנה מדורג על מנת ליצור עמידות בפני מנגנוני כשל. כך, גם אם רכיב אחד כשל בשטח, רכיב אחר ממשיך לספק הגנה ליצירת מערכת יציבה ואמינה.

עד כה הוצעו פתרונות שונים למניעת PID ברמות שונות של המערכת. ברמת התא הסולארי, ציפוי מונע החזרה (ARC) יכול להקטין את רגישות התא הסולארי לתופעת ה־PID. על ידי שינוי המוליכות של השכבה הזאת בתהליך הייצור, הופך התא הסולארי לפחות רגיש לתופעת ה־PID. ברמת הפאנל הסולארי, חומרים חלופיים קיימים או שנמצאים בפיתוח העמידים לתופעת ה־PID יכולים לשמש בבניית פאנלים סולאריים. חומרים שעברו הכמסה (אנקפסולציה) עמידה ל־PID או זכוכית אלומיניום־סיליקאט מגבילים את סחיפת יוני הנתרן לכיוון התא הסולארי. ברמת המערכת, מערכת הארקה שונה יכולה ליצור שדה חשמלי שיגרום ליונים להיסחף הרחק מהתא הסולארי.  לסיום, ממטבי הספק או ממירים ברמת התא הסולארי מונעים הצטברות מתח בין רשת התאים הסולאריים למסגרת ההארקה, וכך מאפשרים להפעיל את התא הסולארי במתח נמוך יותר.

יורן קרולוס: “בחוות סולאריות שמתמודדות עם תופעת ה־PID בשטח, צעדי המנע האלה לא מספקים פתרון. במקרים כאלה, צריך לפנות לכיוון של שיטות היפוך הנזק ושחזור התפוקה. פתרון אחד, שכבר זמין מסחרית, יוצר במהלך הלילה מקדם חיובי בתאים הסולאריים ביחס למסגרת התא. המקדם החיובי גורם ליונים לצאת בדיפוזיה מהתא הסולארי ובכך לבטל את השפעתם המזיקה. עם זאת, היכולת להפוך את התהליך תלויה מאוד בחומרת תופעת ה־PID. הדגמנו שהנזק הוא בלתי־הפיך כששיעור הירידה בתפוקה גדול מ־85%. זאת הסיבה שגילוי מוקדם של תופעת ה־PID הוא חיוני כאן.”

“כוחן של שיטות בדיקה המבוססות על עקרונות פיזיקליים הוא ביכולת החיזוי שלהן. אפשר להכניס את התלות של מנגנון הכשל בשל PID בתנאי המתח, טמפרטורה ולחות לתוך נוסחאות חישוב התפוקה של imec. חיזוי והדמיית הכוחות הפיזיקליים של התקדמות תופעת ה־PID מתחשבים בסוג החומר שממנו עשוי התא הסולארי, תכונות ההתקן ותנאי הסביבה. שיטה זאת תהפוך להיות כלי מרכזי בשירות יצרני פאנלים סולאריים, מפתחי חומרים, מתכנני מערכות פוטו־וולטאיות, קבלני מערכות סולאריות (EPC) וחברות המספקות שירותי תפעול ותחזוקה. שיטת הבדיקה תאפשר חיזוי מדויק יותר של השווי השיורי של תחנות סולארית קיימות”, מסביר מיכאל דאנמן, פרופסור חבר ב־EnergyVille/אויניברסיטת האסלט.

היפוך הנזק שנגרם בשל תופעת ה־PID: יש סיכוי גבוה להיפוך הנזק בשל תופעת ה־PID אם שיעור ירידת התפוקה הוא עד ל־40%; משיעור של 85%, הנזק הוא בלתי־הפיך. המשתנה PIDs הוא ירידת התפוקה בשל תופעת ה־PID; המשתנה PIDr הוא שיעור היפוך הנזק בשל תופעת ה־PID.

חומרים חדשים ובדיקת אמינותם לחיבור בין תאים סולאריים (דו־צדדיים) בטמפרטורה נמוכה

בעוד שרוב מחקרי האמינות עוסקים בבדיקות לגילוי תופעת ה־PID, עובדת imec גם על מתכות חדשות שישמשו לחיבור בין התאים, ובפרט על סגסוגות הלחם עם נקודת התכה נמוכה. “חומרי הלחם המשמשים כיום לחיבור בין התאים הסולאריים מבוססים על עופרת ותהליך ההלחמה חייב להתבצע בטמפרטורה גבוהה מ-180°C. אנחנו מפתחים טכנולוגיות חיבור במספר תיילים עם סגסוגת הלחם ללא עופרת ונקודת התכה נמוכה, ובמקביל מפתחים עבורן שיטות מתאימות לבדיקת אמינות. לסגסוגת החדשה כמה יתרונות. נקודת ההתכה הנמוכה של חומר הלחם מתאימה לשימוש עם חומרים חדשים כגון התקני Hetrojunction, תאים סולאריים מבוססי שכבה דקה וצמדי תאים סולאריים. כמו כן, שימוש בחומרים שלא מכילים מתכות רעילות כמו עופרת הופך את הפתרון לידידותי יותר לסביבה. והכי חשוב, בגלל שההלחמה נעשית בטמפרטורה נמוכה כל כך, אנחנו יכולים לבצע את ההלחמה ואת הציפוי בשלב אחד.”

“אנחנו משתמשים במומחיות הרחבה שצברה imec בתחום חומרי הלחם נטולי עופרת לרכיבים אלקטרוניים ובביצוע ניתוח תהליכי כשל אפשריים והשפעתם (FMEA) לזיהוי נקודות תורפה ולהתאמת השיטות בהתאם. על מנת לשפר את האמון בטכנולוגיות פוטו־וולטאיות חדשות ולהאיץ את אימוצן, אנחנו מאמינים שיש צורך בהמשך פיתוח שיטות בדיקה לאמינות ואיכות. הטכנולוגיה הסולארית צפויה להפוך בעתיד לאחד ממקורות האנרגיה המרכזיים של האנושות, ולכן שאלת האמינות היא לא רק סוגיה טכנולוגית, אלא כזאת שיש בכוחה להשפיע על עתיד אספקת האנרגיה בעולם” מסכמת אסתר ורושזי.

המחקר בוצע במסגרת EnergyVille. EnergyVille הוא מיזם משותף של מוסדות המחקר הבלגיים KU Leuven, VITO, imec ו־UHasselt העוסק בתחום מערכות אנרגיה חכמות ואנרגיה בת־קיימא.

למידע נוסף:

– לקריאת המאמרים האחרונים של imec ו־UHasselt בנושא ירידת תפוקה בשל פוטנציאל מושרה (PID). להזמנת המאמרים יש למלא את הטופס שבקישור (https://www.imec-int.com/en/about-us/imec-magazine/contact-form-imec-magazine)

– Jorne Carolus et al. Why and how to adapt PID testing for bifacial PV modules? (מדוע וכיצד להתאים את הבדיקות לגילוי תופעת ה־PID עבור פאנלים סולאריים דו־צדדיים?) חידושים בתחום התאים הפוטו־וולטאיים מחקר ויישומים 2020; 1–9.

– Jorne Carolus et al. Physics of potential-induced degradation in bifacial p-PERC solar cells (פיזיקה – על ירידת תפוקה בשל פוטנציאל מושרה בתאים סולאריים דו־צדדיים מסוג p-PERC) Solar Energy Materials and Solar Cells 200 (חומרים עבור פאנלים סולאריים ותאים סולאריים) (2019) 109950.

– Jorne Carolus et al. Irreversible damage at high levels of potential-induced

degradation on photovoltaic modules (שיעור גבוה של ירידת תפוקה בשל פוטנציאל מושרה מוביל לנזק בלתי־הפיך בתאים פוטו־וולטאים). העלאת מודעות לבדיקה. כינוס International Reliability Physics Symposium (IRPS) של IEEE, Monterey, CA, 2017, pp. 2F-5.1-2F-5.6.

– מומחה של EnergyVill מסביר על תופעת ירידת התפוקה בשל פוטנציאל מושרה (PID). [https://www.energyville.be/en/press/expert-talk-potential-induced-degradation-photovoltaic-modules]

– תוצאות הבדיקה לאיתור מקור הנתרן במנגנוני מיצד הוצגו בכינוס EU PVSEC, 7 בספטמבר 2020. תוצאות אתגרי הבדיקה לגילוי תופעת ה־PID בתאים סולאריים דו־צדדיים הוצגו בכינוס EU PVSEC, 8 בספטמבר 2020.

– תוצאות חיבורים חדשים בין התאים הסולאריים וניתוח תהליכי כשל אפשריים והשפעתם יוצגו בסדנת Metallization Workshop התשיעית שתערך ב־5–6 באוקטובר 2020.

– לקריאת ההודעה  האחרונה לעיתונות על שיתוף הפעולה בין imec ל־Jolywood here. [http://www.jolywood.cn/NewsDetails-99-834.html

– פיתוח אלגוריתמים להדמיית תופעת ה־PID כחלק מהמיזמים ANALSYT PV ו־DAPPER. קישור: https://www.imec-int.com/en/what-we-offer/research-portfolio/analyst-pv. העבודה בוצעה בתוך imec. סמל מיזם ANALYST PV, מיזם מחקר שבו משתתפים חוקרים אקדמיים (imec-PV ו־imec-IPI-Ghent) לצד שותפים מהתעשייה (3E, Sitemark, AllThingsTalk ו־Engie Laborelec). מיזם ANALYST PV מומן במשותף על ידי imec וקיבל מענק מחקר מ־Flanders Innovation & Entrepreneurship (מס’ מיזם: HBC.2019.0050) ו־Innoviris. מיזם DAPPER מומן על ידי Flux50 ו־Innovation & Entrepreneurship (מס’ מיזם: HBC.20202144).

ביוגרפיה

אסתר ורושזי (Eszter Voroshazi)

אסתר ורושזי היא מנהלת צוות תאים ומערכות פוטו־וולטאיים ב־imec. היא בעלת תואר בהנדסה מאוניברסיטת INSA ברן שבצרפת (2008) ותואר שלישי (Ph.D) מאוניברסיטת לוון (Rennes שבבלגיה (2008). כיום היא עובדת על פיתוח טכנולוגיות וחומרים חדשניים ובני קיימא עבור תאים ופאנלים סולאריים כחלק ממיזם EnergyVille (מיזם משותף של מוסדות המחקר הבלגיים KU Leuven, VITO, imec ו־UHasselt העוסק בתחום הערים החכמות ורשתות חשמל חכמות). כמו כן, היא עומדת בראשן של יוזמות נוספות ב־EnergyVille. אסתר משמשת כמומחית בוועדות תקינה ומומחים בנושא טכנולוגיה פוטו־וולטאית וועדות מומחיות וכמבקרת של מענקים מדעיים, כינוסים וכתבי־עת.

מיכאל דאנמן (Michaël Daenen)

מיכאל דאנמן סיים את לימודי התואר השני שלו בפיזיקה יישומית באוניברסיטת הטכנולוגיה של איינדהובן (TU/e, איינדהובן שבהולנד). בשנת 2008 הוא סיים את לימודי הדוקטורט שלו בפיזיקת חומרים באוניברסיטת האסלט (האסלט, בלגיה) בנושא סינתוז ואפיון של גבישי יהלום ננומטריים. מאז 2014 הוא מרצה בפקולטה לטכנולוגיה הנדסית באוניברסיטת האסלט. קבוצת המחקר של מיכאל, Energy Systems Engineering (ESE), עוסקת באמינותם של פאנלים ומערכות סולאריים.

יורן קרולוס (Jorne Carolus)

יורן קרולוס סיים את לימודיו לתואר ראשון (M.Sc) בטכנולוגיה הנדסית באוניברסיטת לוון (KU Leuvan) בשנת 2015 ואת לימודיו לדוקטורט בטכנולוגיה הנדסית באוניברסיטת האסלט (UHasselt) בשנת 2019. עבודת הדוקטורט שלו עסקה בירידת תפוקה בשל פוטנציאל מושרה (PID) בתאים ופאנלים סולאריים. לאחר סיום לימודיו הוא הצטרף כפוסט־דוקטורנט למכון לחקר חומרים באוניברסיטת האסלט (imo-imomec) וכיום הוא מכהן בתפקיד פיתוח עסקי ב־imo-imomec.