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Hallo Welt!

Was ist LID in Solarmodulen? (vs. PID + Anti-LID-Techniken erklärt)

Wenn Sie sich eingehender mit den Spezifikationen oder der Leistung von Solarmodulen befassen, werden Sie wahrscheinlich auf den Begriff LID stoßen, der leicht mit dem Begriff PID verwechselt werden kann.

In diesem Beitrag wird erklärt, was genau LID in Solarmodulen ist und wie es sich von PID unterscheidet. Sie erfahren auch einige Strategien zur Eindämmung dieses Phänomens sowie einige fortschrittliche Anti-LID-Technologien, die in Modulprodukten eingesetzt werden.

Lichtinduzierte Degradation (LID) in Solarmodulen

Was ist LID in Solarmodulen?

LID ist eine Abkürzung für Light-Induced Degradation (Lichtinduzierte Degradation).

Als eine Art von Degradationsmechanismus klassifiziert, LID tritt typischerweise in p-Typ kristallinen Silizium (c-Si) Solarmodulen auf. Es bezieht sich auf das Phänomen, dass die Leistung von Panels abnimmt, wenn sie zuerst dem Sonnenlicht ausgesetzt. 

Diese Verschlechterung tritt normalerweise innerhalb der ersten Stunden bis Tage der Belichtung auf, wenn das Panel ausgepackt oder gerade vor Ort installiert wird. Während dieser Zeit kann der Leistungsverlust des Panels etwa 1 % bis 3 % betragen, in einigen Fällen kann er jedoch höher sein, abhängig von der Art des verwendeten Siliziums und der Qualität des Herstellungsprozesses.

Nach dieser Anfangsphase, die oft als „Leistungsstabilisierung“ bezeichnet wird, setzt sich die Verschlechterung zwar fort, die Rate verlangsamt sich jedoch erheblich und wird im Allgemeinen jährlich berechnet.

Bei den meisten c-Si-Solarmodulen liegt die jährliche Degradationsrate aufgrund von LID im Allgemeinen zwischen 0.25 % und 0.65 % pro Jahr. Einige moderne Modulprodukte können jedoch geringere jährliche Degradationsraten von etwa 0.25 % pro Jahr aufweisen.

Was sind die Ursachen von LID?

Die Hauptursache von LID ist die Bildung von Bor-Sauerstoff (BO)-Komplexe1 in bordotiert p-Typ c-Si-Platten, die Elektronen-Loch-Paare einfangen, die sonst zur Energieerzeugung beitragen würden.

Nachfolgend finden Sie eine detaillierte Erläuterung des Vorgangs.

Siliziumscheiben, die bei der Herstellung von Solarzellen verwendet werden, werden häufig mit Bor (B) dotiert, um p-Typ-Halbleiter zu erzeugen. Während des Dotierungsprozesses werden Boratome in das Siliziumkristallgitter eingeführt, um „Löcher“ zu erzeugen, die positive Ladungsträger sind und für den pn-Übergang unerlässlich sind.

Andererseits enthalten Wafer typischerweise auch eine kleine Menge Sauerstoff (O), der während des bei der Herstellung verwendeten Czochralski-Prozesses eingeführt werden kann. Im Gegensatz zu Boratomen besetzen diese Sauerstoffatome Zwischengitterplätze im Siliziumgitter.

Wenn die Zellen zunächst dem Sonnenlicht ausgesetzt werden, erzeugen die Photonen Elektronen-Loch-Paare im Silizium. Diese Anregungsenergie ermöglicht es den Bor- und Sauerstoffatomen, beweglich zu werden und BO-Komplexe zu bilden, die Defektzustände in das Siliziumgitter einführen.

Diese Mängel wirken als Rekombination Zentren für Elektron-Loch-Paare, die von Photonen erzeugt werden, was bedeutet, dass, wenn ein Elektron und ein Loch auf einen BO-Komplex treffen, sie rekombinieren, anstatt zum elektrischen Strom beizutragen. 

Mit anderen Worten, diese Rekombination reduziert die Anzahl der zur Stromerzeugung verfügbaren Ladungsträger, wodurch die Gesamteffizienz und Leistung des Panels verringert wird.

Was ist mit PID? Wie unterscheidet sich LID von PID?

PID ist ein weiterer Mechanismus zur Panel-Degradation und steht für Potentialinduzierte Degradation.

Dabei handelt es sich um ein Phänomen, bei dem elektrische Ströme nicht entlang des definierten Pfads fließen, sondern sich stattdessen durch die Abdeckung, Beschichtung, das Verkapselungsmaterial oder den Rahmen bewegen, was zu einer Verschlechterung der Effizienz und Leistung führt. 

Während LID durch die anfängliche Sonneneinstrahlung ausgelöst wird, wird PID durch eine Kombination aus hoher Spannung, erhöhter Temperatur und hoher Luftfeuchtigkeit hervorgerufen, was zu Ionenmigration und Oberflächenpolarisation führt.

In Bezug auf Zeitpunkt und Auswirkung tritt LID innerhalb eines kurzen Zeitraums auf und führt zu einem anfänglichen Leistungsverlust, der sich mit der Zeit stabilisiert. PID hingegen kann sich über einen längeren Zeitraum entwickeln und ist zu Beginn des Betriebs oft nicht sofort erkennbar. Darüber hinaus kann PID einen erheblichen und fortschreitenden Leistungsverlust verursachen, wenn es nicht rechtzeitig eingedämmt wird.

Wie lässt sich LID in Solarmodulen verringern? (Strategien und Technologien)

Obwohl LID möglicherweise nicht so schwerwiegend ist wie PID, arbeiten Hersteller und Branchenexperten daran, seine Auswirkungen zu mildern, was von großer Bedeutung ist, um die Lebensdauer zu optimieren und die Effizienz von Solarsystemen zu maximieren.

Vorkonditionierung der Solarmodule

Setzen Sie die Solarmodule vor der Installation in einer kontrollierten Umgebung Licht aus, indem Sie einen Blitztest oder eine Lichttränkung durchführen. Dieser Prozess kann dazu beitragen, die Leistung der Module zu stabilisieren, indem er die anfängliche Verschlechterung auf kontrollierte Weise herbeiführt und dann abschwächt. Dies trägt letztendlich dazu bei, einen stabilen Betrieb des Systems zu erreichen.

Alternative Dotierstoffe nutzen

Eine Hauptursache für LID ist das Vorhandensein von Bor im Silizium. Durch die Verwendung alternativer Dotierstoffe kann die Bildung von BO-Komplexen vermieden werden. 

Beispielsweise weist Gallium-dotiertes Silizium nicht denselben Grad an Degradation auf wie Bor-dotiertes Silizium, was zu einer geringeren Anfälligkeit für LID führt.

Einhaltung von Industriestandards

Es ist von entscheidender Bedeutung, Industriestandards einzuhalten, wie IEC 61215 während der Herstellung der Module. Dieses Verfahren stellt sicher, dass die Solarmodule strenge Leistungs-, Konsistenz- und Zuverlässigkeitskriterien erfüllen, einschließlich derjenigen in Bezug auf LID.

Fertigungsprozesse optimieren

Die Verbesserung der gesamten Herstellungsprozesse kann zu einer geringeren LID beitragen. Dazu gehört eine sorgfältige Kontrolle des Sauerstoffgehalts, um eine geringe Sauerstoffverunreinigung der Wafer sicherzustellen, sowie eine Optimierung der Temperaturen und Dauer beim Glühen der Siliziumwafer, um die Bildung von Defekten zu verringern.

Blockdiagramm der BO LID-bezogenen Defektzustände und Prozesse
Die mit BO LID verbundenen Defektzustände und -prozesse. | Vaqueiro-Contreras M, Markevich VP, Coutinho J, et al. Identifizierung des Mechanismus, der für die durch Bor-Sauerstofflicht induzierte Degradation in Silizium-Photovoltaikzellen verantwortlich ist. Journal of Applied Physics. 2019;125(18). doi:https://doi.org/10.1063/1.5091759

Entscheiden Sie sich für n-Typ Solarmodule

N-Typ-Wafer profitieren typischerweise von bestimmten Herstellungsprozessen, die zu einem geringeren Sauerstoffgehalt führen können, wodurch die Defektbildung minimiert wird. Darüber hinaus werden N-Typ-Platten mit Phosphor dotiert, der mit Sauerstoff keine ähnlichen Defektkomplexe bildet wie in P-Typ-Platten. Diese Eigenschaften vermeiden weitgehend die Hauptursache für LID in P-Typ-Platten.

Darüber hinaus ist die Lebensdauer der Minoritätsträger in n-Typ-Silizium im Vergleich zu p-Typ-Silizium naturgemäß höher. Dies trägt ebenfalls zu geringeren Rekombinationsverlusten und weniger Defekten bei.

Implementieren Sie fortschrittliche Passivierungstechnologien

Passivierungstechnologien helfen, die Siliziumoberfläche zu stabilisieren und Rekombinationsverluste zu reduzieren. Ihr Einsatz bietet einen robusten Weg zur Minderung von LID in Solarmodulen.

Durch die Integration hochwertiger Oberflächenpassivierung durch Materialien wie Siliziumnitrid (SiNx), Siliziumoxid (SiO2) und Aluminiumoxid (Al2O3) und die Nutzung fortschrittlicher Zellarchitekturen wie PERC, PERT, TOPCon und HJT, Panelhersteller können die Stabilität, Effizienz und Langlebigkeit ihrer Produkte deutlich verbessern.

Sind Dünnschicht-Solarmodule anfällig für LID?

Dünnschicht-Solarmodule sind weitgehend immun gegen die herkömmlichen LID-Effekte, die bei kristallinen Siliziummodulen auftreten. Diese Immunität ist hauptsächlich auf die fehlende Bildung von BO-Komplexen zurückzuführen.

Allerdings können Dünnschichtmodule auch andere Formen der Degradation aufweisen.

Beispielsweise können Dünnschichtplatten aus amorphem Silizium (a-Si) eine andere Form der lichtinduzierten Degradation aufweisen, die als Staebler-Wronski-Effekt bekannt ist. Normalerweise stabilisiert sich dieser Effekt nach der ersten Lichteinwirkung und degradiert im Allgemeinen nicht weiter.

CdTe und CIGS Dünnschicht Panele sind von Natur aus weniger anfällig für lichtbedingte Degradation, wie sie bei c-Si-Panelen beobachtet wird. Dennoch kommt es mit der Zeit zu anderen Degradationsformen.

Zusammenfassung

LID scheint eine inhärente Eigenschaft von c-Si-Solarmodulen zu sein, insbesondere des p-Typs.

Nach der Anfangsphase kann sich der durch LID verursachte Leistungsverlust der Panels noch zu einem nicht geringen Betrag summieren. Die Industrie unternimmt weiterhin Anstrengungen, um die Auswirkungen durch vielschichtige Ansätze zu minimieren.

Obwohl es im Spezifikationshandbuch eines Solarmoduls oft nicht explizit angegeben ist, liegt es in der Verantwortung des Herstellers, klare und transparente Informationen zu den LID-Spezifikationen seiner Module bereitzustellen.

Eigentümern von Solarunternehmen und Projektentwicklern wird empfohlen, die neuesten Fortschritte bei Technologien zur LID-Minderung im Auge zu behalten, um eine robustere Panelleistung zu gewährleisten.

  1. Markevich VP et al. Bor-Sauerstoff-Komplex verantwortlich für lichtinduzierte Degradation in Silizium-Photovoltaikzellen: Neue Erkenntnisse zum Problem ↩︎

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