A study on potential-induced degradation: from conventional to emerging photovoltaic technologies

Abstract

Photovoltaic (PV) energy production is the fastest growing renewable energy source with approximately 100 GW installed in 2018, which brings the cumulative total to over 500 GW. This is the result of an ever-decreasing levelized cost of electricity (LCOE) for PV, mainly attributed to: i) gaining efficiencies, ii) lowering PV module production costs, and iii) improving lifetime. Especially lifetime of PV systems, and thus reliability, has been gaining importance recently. Different types of degradation are studied to assess the power generation during the lifetime of a module. Potentialinduced degradation (PID) of PV modules is an important degradation mechanism caused by a high system voltage that drives ion drift towards the solar cell. These ions affect the proper functioning of the silicon solar cells and have been shown to induce rapid and significant performance losses of up to 50% at module level within one year in the field. Within this doctoral research, we firstly obtained a better view on the presence of PID of the shunting type (PID-s) in the field. This was achieved when a PID test campaign including 49 different PV modules originating from the field was performed. After 96 hours of PID stress, 78% of the PV modules showed a degradation in maximum power output of over 5% and only one-third of the tested PV modules showed a performance loss of less than 20%. In addition, all PV modules underwent a PID recovery test by reversing the polarity of the high voltage source while residing the same environmental conditions. The modules showed an almost-full recoverability as long as the performance loss was under 85%. Once this threshold was exceeded, an irreversible behaviour was observed, which underlines the importance of detecting and curing PID-s before the point of no return. Secondly, we looked into the impact of PID-s on the different electrical parameters of the 49 different PV modules. Notably, the influence of PID-s on the different parameters of a PV module all show the same trend of degradation. The results indicated that PID-s causes a decrease in shunt resistance, having an effect on the fill factor in an early stage. When the modules degrade even further (PID-s levels over 40%), the open circuit voltage will be decreased, followed by a decrease in short circuit current. Next to the fill factor, it is possible to recognize PID-s in an early stage by a decrease in voltage and current at maximum power point. Next, we presented the impact of the stress voltage on the behaviour of PID-s. Three different stress voltages (-200 V, -600 V and -1000 V) were applied and intermediate characterisation measurements were conducted. The results clearly indicate that the degradation behaviour in time proceeds according to an S-shaped curve. Interestingly, the stabilized degradation level seems to be the same for all stress voltages and tends to approach 100% degradation when the foil-method is applied. On the other hand, the maximal degradation rate shows a quadratic relationship with the stressing voltage. Furthermore, we have shown that a full recovery is possible when a lower curing voltage than the stress voltage is applied. This is promising for the residential scale PV installations since the maximal curing voltages are often limited due to inverter warranty. The previous findings were focussing on PID-s in standard n+/p crystalline silicon solar cells, the dominating technology in todays PV market. However, following the recent shift towards mass production of advanced cell technologies (i.e. PERC and PERT), bifacial PV modules are eventually becoming a commercial reality and enter the mainstream. Therefore, we looked into PID stressing methods for bifacial solar cells in a glass/glass packaging. From our results it is clear that n-PERT solar cells in a glass/- glass packaging under bifacial PID stress suffer from a PID mechanism which is only evolving at the front side of the solar cell. However, when the modules underwent monofacial PID stress testing from the rear side only, a similar but slower behaviour was observed, i.e. the PID mechanism evolves at the front side of the solar cell. The explanation of such a faulty interpretation of bifacial solar cells in a glass/ glass packaging undergoing monofacial PID stress can be found in the test setup: it is the result of an unintended electric field arising between the grounded inside of the climatic chamber and the solar cell at a negative potential (in our case -1000 V). This work might be interesting when the PID test standard IEC62804 gets updated for bifacial PV modules. Therefore, we included three possible measures which can be considered when monofacial PID stress tests of bifacial PV modules in a glass/glass packaging are conducted: 1. shorting the cell and the non-stressed glass cover side (shielding); 2. using a floating high voltage source; 3. replacing the glass cover by a transparent backsheet/frontsheet. Next to PID testing bifacial n-PERT solar cells, we investigated the physical origin of bifacial PID in bifacial mono crystalline silicon p-PERC solar cells. Our investigations show that bifacial p-PERC solar cells suffer from a combination of both PID-s, occurring at the front/emitter side of the solar cell, as well as PID of the polarization type (PID-p), occurring at the rear side of the solar cell. Since PID-s is affecting the shunt resistance, both the front and the rear side illumination measurements of the solar cell are degrading according to the same trend. PID-p on the other hand has a limited effect on the front side illumination measurements. From these results, it can be stated that the glass/glass packaging and the lack of blanket metallization at the rear side renders such module types more sensitive to PID. Additionally, it has been shown that both failure modes can be easily distinguished by IV and EQE measurements. In the IV characteristic PID-s is witnessed by a loss in fill factor due to a decrease in shunt resistance while PID-p is indicated by a decrease in the short circuit current and the open circuit voltage while the fill factor stays quasi unchanged. Front-side EQE response also shows a specific signature for both degradation mechanisms. PID-s expresses itself by a slight decrease in the short wavelength region (300-400 nm). Whereas PID-p can be recognised by a rather significant drop in the long-wavelength region (800-1200 nm) in front side EQE measurements. Finally, we reported results of PID tests on perovskite solar cells for the very first time. Metal halide perovskite solar cells have become a major competitor in the run to lower the LCOE of photovoltaic (PV) systems. Commercialization of this new technology mainly depends on the long-term stability of such devices, for which potential-induced degradation (PID) may represent a factor of detrimental impact. The solar cells are found to be extremely susceptible to PID: 18 hours of high voltage stress yielded a performance degradation of up to 95%, which mainly resulted from a decrease in short circuit current. Our results also uncover near full PID recoverability and pave the way towards further research into its mechanisms, kinetics, and mitigation.

Energie geproduceerd door fotovoltaische (PV) systemen is de snelst groeiende hernieuwbare energiebron met ongeveer 100 GW geïnstalleerd vermogen in 2018 wat het cumulatief totaal brengt op meer dan 500 GW. Dit is het resultaat van een steeds dalende prijs van elektriciteit opgewekt door PV (LCOE), wat voornamelijk toe te schrijven is aan: i) de groeiende efficiëntie, ii) de dalende productiekost van PV-modules, en iii) de verbeterde levensduur. Zeker de levensduur en dus ook de betrouwbaarheid van PV-systemen werd in de afgelopen jaren steeds belangrijker. Verschillende soorten van degradatie worden daarom bestudeerd om de energieopbrengst doorheen de hele levensduur van een module te beoordelen. Potentiaal-geïnduceerde degradatie (potential-induced degradation of PID) van PV-modules is een belangrijk degradatiemechanisme dat wordt veroorzaakt door een hoge systeemspanning die ionen naar de zonnecellen drijft. Deze ionen verstoren de goede werking van de zonnecellen en er is aangetoond dat ze in de praktijk binnen een jaar significante prestatieverliezen, tot wel 50% op moduleniveau, kunnen veroorzaken. Binnen dit doctoraatsonderzoek hebben we eerst een beter zicht gekregen op de aanwezigheid van PID van het shuntingtype (PID-s) in bestaande installaties. Dit werd bereikt door een PID-testcampagne uit te voeren met 49 verschillende PV modules afkomstig uit bestaande installaties. Na 96 uur PID-stress vertoonde 78% van de geteste PV-modules degradatie in uitgangsvermogen van meer dan 5% en slechts een derde vertoonde een prestatieverlies van minder dan 20%. Bovendien hebben alle 49 PV-modules een PID-herstel cyclus ondergaan door de polariteit van de hoogspanningsbron om te keren in dezelfde omgevingscondities. De modules toonden een bijna volledige herstelbaarheid zolang het prestatieverlies niet de 85%-drempel overschreed. Indien dit wel het geval was werd een onomkeerbaar gedrag waargenomen, wat het belang van het vroegtijdig detecteren en herstellen van PID-s onderstreept. Ten tweede hebben we gekeken naar de impact van PID-s op de verschillende elektrische parameters van de 49 verschillende PV-modules. Hierin viel op dat de invloed van PID-s op de verschillende parameters van een PV-module dezelfde degradatietrend vertoont. Deze resultaten gaven aan dat PID-s een afname van de shuntweerstand veroorzaakt, met een effect op de vulfactor in een vroeg stadium. Wanneer de modules nog verder degradeerden om wille van PID-s (niveaus meer dan 40%), dan was er ook een degradatie in de open circuit spanning waarneembaar, gevolgd door een afname in kortsluitstroom. Naast de vulfactor is het mogelijk om PID-s in een vroeg stadium te detecteren door een afname in spanning en stroom in het werkingspunt. Vervolgens bekeken we de impact van het spanningsniveau op het gedrag van PID-s. Drie verschillende spanningsniveaus (-200 V, -600 V en -1000 V) werden aangelegd en tussentijdse karakteriseringsmetingen werden uitgevoerd. De resultaten geven duidelijk aan dat het degradatiegedrag in de tijd volgens een S-vormige curve verloopt. Interessant is dat het gestabiliseerde degradatieniveau hetzelfde blijkt te zijn voor de verschillende spanningsniveaus. De maximale degradatiesnelheid aan de andere kant toont een kwadratische relatie met het spanningsniveau. Daarnaast hebben we aangetoond dat een volledig herstel mogelijk is wanneer een lagere herstelspanning dan degradatiespanning wordt aangelegd. Dit is veelbelovend voor de residentiële PV-installaties aangezien de maximale herstelspanningen vaak zijn gelimiteerd vanwege de garantie van de omvormer. Alle eerdere bevindingen waren gericht op PID-s in standaard n+/p kristallijn-silicium zonnecellen, de dominante technologie in de hedendaagse PV-markt. Echter, na de recente verschuiving naar massaproductie van gevorderde celtechnologieën (d.w.z. PERC en PERT), worden bifaciale PV-modules uiteindelijk een commerciële realiteit. Vanwege deze reden hebben we PID-stressemethoden voor bifaciale zonnecellen in een glass/glass verpakking onderzocht. Uit onze resultaten is het duidelijk dat n-PERT zonnecellen in een glas/glas-verpakking onder tweezijdige PIDstress last hebben van een mechanisme dat zich enkel aan de voorkant van de zonnecel manifesteert. Maar wanneer de modules een éénzijdige PID-test vanaf de achterkant ondergingen, werd een vergelijkbaar gedrag gevonden (een degradatie die zich voordoet aan de voorkant van de zonnecel). De uitleg van deze foutieve interpreratie zit in de testopstelling: er onstaat echter een onbedoeld elektrisch veld tussen de geaarde binnen-kant van de klimaatkamer en de zonnecel op een negatief potentiaal. Dit onderzoek is interessant wanneer de PID-test standaard IEC62804 wordt bijgewerkt voor bifaciale PV-modules. Daarom hebben wij drie mogelijke maatregelen voorgesteld die overwogen dienen te worden alvorens bifaciale zonnecellen langs één zijde te testen voor PID. 1. sluit de zonnecel kort met de niet-te-testen glaszijde van de module (afscherming); 2. gebruik een floating hoogspanningsbron; 3. vervang de glazen verpakking door een PID-vrij alternatief aan de niet-te-testen zijde. Naast de bifaciale n-PERT zonnecellen hebben we ook het fysisch mechanisme onderzocht in bifaciale monokristallijne p-PERC zonnecellen onder PID-stress. Ons onderzoek toont aan dat bifaciale p-PERC zonnecellen lijden aan een combinatie van zowel PID-s, aan de voor-/emitterzijde van de zonnecel, als PID van het polarisatietype (PID-p), aan de achterzijde van de zonnecel. Aangezien PID-s de shuntweerstand beïnvloedt worden zowel de vermogensmetingen van de module aan de voorzijde als aan de achterzijde beïnvloed volgens dezelfde trend. PID-p aan de andere kant heeft slechts een beperkt effect op de metingen aan de voorzijde van de module. Deze resultaten tonen aan dat een glass/glass verpakking en het gebrek aan een volledige dekking door een metalische coating aan de achterzijde van de bifaciale zonnecel zorgt voor een PID-gevoeligere module. Bovendien is aangetoond dat beide mechanismen eenvoudig kunnen worden onderscheiden door IV- en EQE-metingen. Ten slotte rapporteerden we resultaten van PID-testen op perovskietzonnecellen voor de allereerste keer. Metaalhalogenide perovskiet-zonnecellen zijn belangrijk geworden om de LCOE van fotovoltaïsche (PV) systemen verder te laten dalen. Commercialisering van deze nieuwe technologie hangt vooral af van de stabiliteitsproblemen op lange termijn, waarvan PID gekend is vanwege de nadelige impact. De zonnecellen blijken buitengewoon gevoelig te zijn voor PID: 18 uur PID-stress leverde een prestatievermindering op tot 95%, wat voornamelijk toe te schrijven is aan een afname in kortsluitstroom. Onze resultaten onthullen ook een bijna volledige PID-herstelbaarheid en effenen de weg richting verder onderzoek naar de fysische degradatie mechanismen.