Pannes et pannes du module solaire photovoltaïque

Source: ee.co.za

L'équipement solaire photovoltaïque moderne est conçu pour un fonctionnement fiable pendant toute la durée de vie du produit. Malgré cela, des défauts de fabrication et des défaillances prématurées se produisent encore, ce qui peut affecter les performances d'un produit.

La fiabilité et la qualité sont conçues et intégrées aux équipements solaires photovoltaïques modernes. Les techniques de production en série, bien que contrôlées, et un contrôle de la qualité médiocre peuvent toujours introduire des défauts de fabrication dans le produit, et l'installation sur le terrain ainsi que le transport peuvent entraîner des dommages, qui peuvent tous raccourcir la durée de vie des produits.

Un facteur clé pour réduire les coûts des systèmes photovoltaïques est d'augmenter la fiabilité et la durée de vie des modules PV. Les statistiques actuelles montrent des taux de dégradation de la puissance nominale pour les modules PV en silicium cristallin de 0,8% / an [1]. Bien que les produits modernes soient conçus pour utiliser des matériaux de meilleure qualité et une fabrication mécanisée, la concurrence par les prix a entraîné l'utilisation de matériaux plus fins et moins nombreux dans la fabrication des panneaux. De plus, il est prouvé que certains fabricants ont recommencé à utiliser des matériaux de moindre qualité pour faire baisser les prix.

La défaillance prématurée des panneaux peut avoir une implication financière majeure pour les installations photovoltaïques, car le coût principal du cycle de vie est capital. Une panne de module PV est un effet qui dégrade la puissance du module qui n'est pas inversée par le fonctionnement normal ou crée un problème de sécurité.

Un problème purement esthétique qui n'a aucune de ces conséquences n'est pas considéré comme une défaillance du module PV. Une défaillance du module PV est pertinente pour la garantie lorsqu'elle se produit dans des conditions que le module rencontre normalement [1].

Les défaillances de produits sont généralement réparties dans les trois catégories suivantes:

• Échecs infantiles

• Échecs de la quarantaine

• Échecs d'usure

La figure 1 montre des exemples de ces trois types de pannes pour les modules PV. Outre ces pannes de modules, de nombreux modules PV présentent une dégradation de l'alimentation induite par la lumière (LID) immédiatement après l'installation. Le LID est un type de défaillance qui se produit de toute façon et la puissance nominale imprimée sur l'étiquette du module PV est généralement ajustée par la perte de puissance saturée normalisée attendue due à cette défaillance.

Fig. 1: Trois scénarios de défaillance typiques pour les modules photovoltaïques cristallins à base de plaquettes [1].

LID: Dégradation induite par la lumière
PID: dégradation induite potentielle
EVA: acétate de vinyle d'éthylène
J-box: Boîte de jonction

Incident de panne et de panne

Des études détaillées sur les défaillances en service pendant toute la durée de vie des panneaux ne sont pas disponibles car la plupart des installations sont récentes et les fournisseurs hésitent à publier ces chiffres. Les rapports d'études sur la mortalité infantile, c'est-à-dire l'échec à l'installation, donnent des chiffres compris entre 1 et 2% de tous les panneaux installés [3]. Plusieurs études de simulation avec des durées de vie accélérées ont été entreprises, mais sur un nombre limité de panneaux.

BP Solar a signalé un taux de défaillance de 0,13% sur une période de huit ans pour les panneaux Solarex c-Si et Sandia National Laboratories a prédit un taux de défaillance de 0,05% par an sur la base des données de terrain [4]. Cependant, il s'agit de chiffres de début de vie à court terme et aucun chiffre sur les défaillances de fin de vie pour les installations à grande échelle n'est disponible.

Défauts et défaillances majeurs

Les défaillances peuvent être divisées en types de défaillance liés aux performances et à la sécurité. Les défaillances liées à la sécurité peuvent entraîner des dommages matériels ou des blessures au personnel. Les défaillances liées aux performances entraînent une perte ou une baisse de la puissance de sortie.

Des défauts se produisent dans les domaines suivants:

• Les plaquettes ou cellules dans les produits PV cristallins

• L'encapsulation

• La base en verre

• Câblage interne

• Cadre et ferrures

• Les couches amorphes en PV amorphe

Défauts de tranche ou de cellule

La détérioration de l'efficacité de la cellule est normale pendant la durée de vie de la cellule et n'est pas considérée comme un défaut ou une défaillance à moins que le taux de dégradation dépasse les limites normales. La majorité des défauts de la plaquette ou des cellules seront des fissures de la plaquette et des dommages aux connexions et aux conducteurs. Les défauts plus petits sont dus à l'endommagement du revêtement antireflet (ARC) et à la corrosion des cellules. La dégradation induite par la lumière dans les panneaux solaires amorphes est un effet connu et n'est pas nécessairement considérée comme une défaillance. La dégradation induite potentielle est un phénomène nouveau qui est apparu à la suite de tensions de plus en plus élevées utilisées dans les systèmes PV.

Délaminage du revêtement antireflet

Un revêtement antireflet (ARC) augmente la capture de la lumière et, par conséquent, augmente la conversion de puissance du module. La délamination ARC se produit lorsque le revêtement antireflet se détache de la surface de silicium de la cellule. Ce n'est pas un défaut grave sauf s'il y a beaucoup de délaminage [2]. La recherche a montré que les propriétés de l'ARC sont un facteur causal du PID.

Fissuration cellulaire

Les fissures dans les modules PV sont omniprésentes. Ils peuvent se développer à différentes étapes de la durée de vie du module.

Lors de la fabrication en particulier, le brasage induit des contraintes élevées dans les cellules. La manipulation et les vibrations pendant le transport peuvent induire ou élargir les fissures [4]. Enfin, un module sur le terrain subit des charges mécaniques dues au vent (pression et vibrations) et à la neige (pression).

Les microfissures peuvent être causées ou aggravées par:

• Fabrication

• Transport

• Installation

• Contrainte en service (thermique et autre)

Les plaquettes cristallines ont augmenté de taille et diminué d'épaisseur au fil des ans, augmentant le risque de casse et de fissuration. Les fissures dans les cellules solaires sont un véritable problème pour les modules PV car elles sont difficiles à éviter et, jusqu'à présent, pratiquement impossible à quantifier dans leur impact sur l'efficacité du module pendant sa durée de vie. En particulier, la présence de micro-fissures peut n'avoir qu'un effet marginal sur la puissance d'un nouveau module, tant que les différentes parties des cellules sont toujours connectées électriquement.

À mesure que le module vieillit et est soumis à des contraintes thermiques et mécaniques, des fissures peuvent apparaître. Un mouvement relatif répété des parties cellulaires fissurées peut entraîner une séparation complète, entraînant ainsi des parties cellulaires inactives. Pour ce cas particulier, une évaluation claire de la perte de puissance est possible. Pour un module PV de 60 cellules, 230 W, la perte de parties de cellule est acceptable tant que la partie perdue est inférieure à 8% de la surface de la cellule [3].

Fig. 2: traces d'escargots dues à des micro-fissures dans les cellules [1].

Les micro-fissures sont des fissures dans le substrat de silicium des cellules PV qui ne sont souvent pas visibles à l'œil nu. Des fissures peuvent se former dans différentes longueurs et orientations dans une cellule solaire. Le découpage des tranches, l'enchaînement de la production de cellules et le processus d'intégration pendant le processus de production provoquent des fissures dans les cellules photovoltaïques. Le processus de cordage des cellules solaires présente un risque particulièrement élevé d'introduction de fissures [1].

Il existe trois sources différentes de microfissures pendant la production; chacun a sa propre probabilité d'occurrence:

• Les fissures à partir du ruban d'interconnexion des cellules sont causées par la contrainte résiduelle induite par le processus de soudage. Ces fissures sont souvent situées à l'extrémité ou au point de départ du connecteur, car il y a la contrainte résiduelle la plus élevée. Ce type de fissure est le plus fréquent.

• La soi-disant fissure croisée, qui est causée par des machines appuyant sur la plaquette pendant la production.

• Les fissures à partir du bord de la cellule sont causées par l'impact de la cellule contre un objet dur.

Une fois que les fissures des cellules sont présentes dans un module solaire, il y a un risque accru que pendant le fonctionnement du module solaire, les fissures des cellules courtes puissent se transformer en fissures plus longues et plus larges. Ceci est dû aux contraintes mécaniques causées par le vent ou la neige et aux contraintes thermo-mécaniques sur les modules solaires dues aux variations de température provoquées par le passage des nuages et les variations météorologiques.

Les micro-fissures peuvent avoir différentes origines et se traduire par des résultats plutôt «mous» tels que l'éclatement réducteur de rendement de parties de la cellule affectée jusqu'à des impacts plus graves impliquant des diminutions du courant de court-circuit et de l'efficacité de la cellule. Visuellement, des microfissures peuvent apparaître sous la forme de «traînées d'escargots» sur la structure cellulaire. Cependant, les traces d'escargots - en tant que signe d'impact à long terme - peuvent également être le résultat d'un processus chimique provoquant un changement de la surface de la cellule et / ou des points chauds.

Selon le modèle de fissure des plus grandes fissures, les contraintes thermiques, mécaniques et l'humidité peuvent entraîner des parties de cellule «mortes» ou «inactives» qui provoquent une perte de puissance de sortie de la cellule photovoltaïque affectée. Une partie de cellule morte ou inactive signifie que cette partie particulière de la cellule photovoltaïque ne contribue plus à la puissance totale de sortie du module solaire. Lorsque cette partie morte ou inactive de la cellule photovoltaïque est supérieure à 8% de la surface totale de la cellule, cela entraînera une perte de puissance augmentant à peu près linéairement avec la surface de la cellule inactive [1].

Les fissures se développent potentiellement sur une durée de fonctionnement plus longue et étendent ainsi leur impact malveillant sur les fonctionnalités et les performances d'un module PV, ce qui peut également déclencher des points chauds. Non détectées, les micro-fissures peuvent entraîner une durée de vie sur le terrain inférieure à celle attendue. Ils diffèrent par leur taille, leur emplacement sur la cellule et leur qualité d'impact.

Des microfissures peuvent être détectées sur le terrain avant l'installation et pendant la durée de vie d'un projet. Il existe différentes méthodes de test de qualité pour identifier les micro-fissures, dont les tests d'électroluminescence (EL) ou de détection de fissure d'électroluminescence (ELCD) sont l'une des méthodes les plus appliquées. Les tests EL peuvent détecter des défauts cachés qui étaient auparavant introuvables par d'autres méthodes de test, telles que l'imagerie infrarouge (IR) avec des caméras thermiques, la caractéristique VA et les tests de flash [1]. Certains fabricants recommandent une inspection régulière des panneaux installés pendant toute la durée de vie [3].

Défauts d'encapsulation

Un panneau solaire est un «sandwich», composé de différentes couches de matériaux (Fig. 3).

Fig. 3: Composants d'un module PV [2].

Les matériaux d'encapsulation sont utilisés pour:

• Résiste à la chaleur, à l'humidité, aux rayons UV et aux cycles thermiques

• Fournit une bonne adhérence

• Couplage optique du verre aux cellules

• Isoler les composants électriquement

• Contrôler, réduire ou éliminer la pénétration d'humidité

Le matériau le plus utilisé pour l'encapsulation est l'éthaline vinyl acétate (EVA). Une défaillance de l'encapsulant peut entraîner une défaillance ou une détérioration du module PV.

Échec d'adhérence

L'adhérence entre le verre, l'encapsulant, les couches actives et les couches arrière peut être compromise pour de nombreuses raisons. Les couches minces et d'autres types de technologie PV peuvent également contenir un oxyde conducteur transparent (TCO) ou une couche similaire qui peut se délaminer d'une couche de verre adjacente.

En règle générale, si l'adhérence est compromise en raison de la contamination (par exemple, un nettoyage incorrect du verre) ou de facteurs environnementaux, une délamination se produira, suivie d'une pénétration d'humidité et de la corrosion. La délamination aux interfaces à l'intérieur du chemin optique entraînera une réflexion optique (par exemple, jusqu'à 4%, une perte de puissance, à une seule interface air / polymère) et une perte de courant (puissance) des modules [1].

Production d'acide acétique

Les feuilles d'EVA réagissent avec l'humidité pour former de l'acide acétique qui accélère le processus de corrosion du composant interne des composants du module PV. Cela peut également résulter du processus de vieillissement EVA, et peut attaquer les contacts argentés et affecter la production cellulaire. Pour les feuilles de fond perméables, ce n'est pas un problème car l'acide acétique peut s'échapper. Cependant, pour les feuilles de fond imperméables, ce défaut peut entraîner des pertes de puissance importantes au fil du temps.

Décoloration de l'encapsulant

Cela entraînera une certaine perte de transmission et donc une puissance réduite. La décoloration est due à la décoloration de l'oxygène, donc avec une feuille arrière respirante, le centre des cellules se décolore tandis que les anneaux extérieurs restent clairs. Cela peut se produire en raison d'une mauvaise réticulation et / ou d'additifs dans la formulation d'EVA.

Fig. 4: EVA décoloré [5].

Sans concentration, il faut cinq à dix ans pour voir une décoloration et plus de temps pour commencer à réduire sensiblement la puissance de sortie. Ce n'est pas l'EVA lui-même qui se décolore, mais les additifs dans la formulation. Ce défaut peut empêcher un peu de lumière d'atteindre le panneau [5].

Délaminage

La délamination est la séparation de l'encapsulant du verre ou de la cellule. La délamination peut se faire entre le superstrat (verre), le substrat (feuille arrière) et l'encapsulant ou entre l'encapsulant et les cellules. Un délaminage de la vitre frontale peut se produire en raison d'une mauvaise adhérence EVA ou de mauvaises procédures de nettoyage de la vitre pendant le processus de fabrication. Ce défaut peut empêcher un peu de lumière d'atteindre le panneau. Le problème peut devenir plus grave si l'humidité s'accumule dans le vide et crée des courts-circuits près des fils de soudure.

La délamination de la cellule est très probablement causée par une mauvaise réticulation ou une contamination de la surface de la cellule. Ce défaut peut être grave car lorsqu'une bulle d'air se crée dans le stratifié, il y a possibilité d'accumulation d'humidité et de courts-circuits. La délamination de l'insert se produit si l'EVA n'adhère pas bien à l'insert pendant la fabrication.

Les nouvelles voies et la corrosion consécutive au délaminage réduisent les performances du module, mais ne posent pas automatiquement de problème de sécurité. Le délaminage de la feuille arrière, cependant, peut permettre une exposition à des composants électriques actifs. Lorsqu'un module est construit avec des feuilles avant et arrière en verre, il peut y avoir des contraintes supplémentaires améliorant la délamination et / ou la rupture du verre.

Défauts au verso

La feuille arrière d'un module sert à la fois à protéger les composants électroniques de l'exposition directe à l'environnement et à assurer un fonctionnement sûr en présence de tensions CC élevées. Les feuilles de fond peuvent être composées de verre ou de polymères et peuvent incorporer une feuille métallique.

Fig. 5: Délaminage (Rycroft).

Le plus souvent, une feuille de fond est constituée d'une structure stratifiée avec un polymère très stable et résistant aux UV, souvent un fluoropolymère à l'extérieur, directement exposé à l'environnement, une couche intérieure en PET, suivie de la couche encapsulante [1] .

Lorsqu'une vitre arrière est utilisée à la place d'une feuille arrière, elle peut échouer en se brisant. Si le module est conçu comme un dispositif à couche mince sur la feuille arrière (substrat CIGS), cela présente un risque de sécurité important en plus d'une perte de puissance importante ou, plus probable, complète pour ce module. Il peut y avoir un petit espace le long des fissures et une certaine tension qui est capable de produire et de maintenir un arc électrique.

Si cela se produit en conjonction avec la défaillance d'une diode de dérivation, la tension du système entier pourrait être présente à travers l'espace créant un arc important et soutenu qui est susceptible de faire fondre le verre, ce qui pourrait déclencher un incendie. Cependant, si une feuille de fond en verre venait à se casser dans un module de Si cristallin typique, il y aurait toujours une couche d'encapsulant pour fournir une petite mesure d'isolation électrique.

Un délaminage de l'EVA peut se produire en raison d'une mauvaise adhérence entre l'EVA et la feuille arrière ou si la couche d'adhérence de la feuille arrière est endommagée par une exposition aux UV ou une augmentation de la température.

Le jaunissement de la face avant est provoqué par une dégradation du polymère utilisé pour favoriser l'adhérence de la feuille arrière spécifique à l'encapsulant. Le jaunissement est souvent associé à une détérioration des propriétés mécaniques. Avec ce défaut, il est probable que la contre-feuille finisse par se délaminer et / ou se fissurer [3].

Le jaunissement côté air est un signe de sensibilité aux UV qui peut être accéléré par des températures élevées. Ce défaut se produit également dans certaines feuilles arrière à la suite d'une dégradation thermique. Le jaunissement est souvent associé à une détérioration des propriétés mécaniques. Avec ce défaut, il est probable que la contre-feuille finisse par se délaminer et / ou se fissurer [3].

Points chauds

Le chauffage par point chaud se produit dans un module lorsque son courant de fonctionnement dépasse le courant de court-circuit réduit (I _sc ) d'une cellule ou d'un groupe de cellules ombré ou défectueux. Lorsqu'une telle condition se produit, la cellule ou le groupe de cellules affecté est contraint à une polarisation inverse et doit dissiper la puissance.

Fig. 6: Cellules solaires en silicium cristallin interconnectées en série avec un ruban à languettes [6].

Si la dissipation de puissance est suffisamment élevée ou suffisamment localisée, la cellule polarisée en sens inverse peut surchauffer, entraînant la fusion de la soudure et / ou du silicium et la détérioration de l'encapsulant et de la feuille arrière [5].

Rupture du ruban conducteur et des joints

Les cellules solaires sont équipées de deux éléments de base, les contacts avant et arrière, permettant de fournir du courant au circuit externe. Le courant est transporté par des bandes de bus soudées aux contacts avant et arrière. Une défaillance du ruban de chaîne est associée à une perte de puissance de sortie. Les ruptures d'interconnexion se produisent en raison de l'expansion et de la contraction thermiques ou des contraintes mécaniques répétées. De plus, un ruban plus épais ou des plis dans le ruban contribuent à la rupture des interconnexions et entraînent des cellules en court-circuit et des cellules en circuit ouvert.

Une partie critique du module est les interconnexions des joints de soudure. Ils sont constitués de nombreux matériaux liés entre eux, notamment la soudure, la barre omnibus, le ruban et la tranche de silicium. Ces matériaux possèdent des propriétés thermiques et mécaniques différentes. Dans le collage, l'assemblage développe des problèmes de fiabilité thermo-mécanique qui sont causés par des différences dans le coefficient de dilatation thermique des matériaux liés. La soudure fournit une connexion entre l'électrode et le ruban.

La température du module PV varie en fonction des conditions météorologiques locales, ce qui affecte à son tour le taux de dégradation de l'interconnexion de soudure. Dans une analyse de modélisation de la prévision de la durée de vie, il a été signalé que pour le même type de modules PV c-Si situés dans diverses conditions météorologiques, la durée de vie était la plus courte dans un désert, suivie de celles des tropiques.

Bien que l'utilisation d'un procédé de soudage dans l'assemblage de cellules solaires dans des modules PV présente l'avantage de produire des produits qui possèdent une grande fiabilité à un coût de production minimal, la technologie se produit à haute température avec un potentiel inhérent de produire une contrainte de cisaillement dans la tranche de silicium. La défaillance et la dégradation des joints de soudure entraînent une augmentation de la résistance en série, ce qui entraîne une perte de puissance.

Durée de vie des modules

Tous les défauts ci-dessus contribuent à la dégradation et à la défaillance finale des panneaux PV. Les modules photovoltaïques sont conçus pour durer 20 ans ou plus, et les nouveaux modules subissent des programmes de test accélérés qui simulent les effets de la chaleur, de l'humidité, des cycles de température, du rayonnement UV et d'autres facteurs [5]. Les résultats des programmes de tests menés par Kohl sont présentés sur la figure 7 [7].

Fig. 7: tests de vieillissement accéléré sur des modules commerciaux en c-Si [7].

Un niveau de puissance normalisé de 0,8 est généralement considéré comme la fin de vie d'un panneau PV. Les courbes d'essai montrent que les panneaux se détériorent rapidement après ce point.

Au début des années 1990, les garanties décennales étaient typiques. Aujourd'hui, presque tous les fabricants offrent des garanties de 20 à 25 ans. Mais une garantie de 25 ans ne signifie pas que le projet est protégé. Il faut se poser les questions suivantes:

• Le fournisseur de modules sera-t-il dans 15 ans en cas de problèmes?

• Le fournisseur finance-t-il un compte séquestre pour s'assurer que s'il a disparu, le projet sera protégé?

• Le fournisseur s'appuie-t-il simplement sur des tests de qualification CEI pour faire des déclarations sur la durabilité à long terme?

• Si le fournisseur n'existe que depuis cinq ans, comment peut-il prétendre que les modules durent 25 ans?

L'augmentation de la durée des garanties est prometteuse, mais un investisseur ou un développeur doit examiner attentivement l'entreprise qui les fournit [4].

Les références

[1] AIE: « Examen des défaillances des modules photovoltaïques », rapport final externe de la tâche 13, AIE-PVPS, mars 2014.
[2] Dupont: « Un guide pour comprendre les défauts des panneaux solaires: de la fabrication aux modules mis en service », www.dupont.com
[3] M Kontges, et al: « Statistiques des fissures des modules photovoltaïques cristallins », 26e Conférence et exposition européenne sur l'énergie solaire photovoltaïque, 2011.
[4] E Fitz: « L'impact final de la fiabilité des modules photovoltaïques », Renewable Energy World, mars 2011.
[5] J Wolgemuth et al: « Modes de défaillance des modules en Si cristallin », PV Module Reliability Workshop 2010.
[6] M Zarmai: « Un examen des technologies d'interconnexion pour l'assemblage de modules photovoltaïques de cellules solaires en silicium cristallin amélioré », Applied Energy, 2015.
[7] M Koehl et al: Fiabilité PV (Cluster II): Résultats d'un projet commun allemand de quatre ans - Partie I, résultats des tests de vieillissement accéléré et modélisation de la dégradation, 25e EU-PVSEC, 2010.