Nu zonne-energie een groter aandeel krijgt in onze energievoorziening, wordt het belangrijker dat zonnepanelen betrouwbaar zijn en zich voorspelbaar gedragen. Om te kunnen voorspellen wanneer zonnepanelen het begeven, is inzicht in het faalmechanisme onontbeerlijk. Deze kennis wordt ingezet om de kwaliteit en levensduur te verbeteren. Wetenschappers bij TNO Energy Transition en Solliance Solar Research hebben een techniek ontwikkeld om te achterhalen waarom zonnepanelen na verloop van tijd minder opleveren.

Momenteel worden de meeste defecte zonnepanelen gewoon weggegooid. Maar onderzoek aan dergelijke panelen kan ons veel leren. Bij Solliance worden defectgeraakte commerciële zonnepanelen bestudeerd. Deze panelen zijn onder praktijkomstandigheden defect geraakt, na jaren gebruik onder uiteenlopende omstandigheden. In het laboratorium kan dat nog niet voldoende worden nagebootst. De meest realistische testomgevingen zijn gewoon buiten in de zon, de wind en de regen.

Boren in zonnepanelen

Om te begrijpen waarom een zonnepaneel het begeeft, doet TNO bij Solliance post-mortem onderzoek. Defecte zonnepanelen, zowel dunnefilm als kristallijn silicium, worden gedemonteerd en onderzocht. De defecte locaties worden bepaald voordat ze worden gedemonteerd. Als de fout zich in de cel zelf bevindt, wordt deze uit het zonnepaneel verwijderd. De beschermlagen worden netjes verwijderd zodat de defecte lagen verder onderzocht kunnen worden. Omdat de zonnecellen zo dun zijn (<400 micrometer voor silicium en <4 micrometer voor dunnefilmzonnecellen), moesten de onderzoekers van Solliance een proces ontwikkelen om de bovenliggende lagen te verwijderen zonder de cel te beschadigen. Nadat de defecte cel of het defecte gebied er op deze manier uit is gehaald, wordt deze weer aangesloten en voorbereid voor analyse.

van links naar rechts: het uit de module boren van samples; verwijderen van beschermlagen en vrijmaken van de zonnecel; inspectie van het oppervlak. Foto’s door Pelin Yilmaz en Niels van Loon

Nanometerschaal onderzoek

Met dezelfde meet- en analysetechnieken die ook gebruikt worden bij de ontwikkeling van nieuwe zonnecellen, worden de “dode” cellen geanalyseerd. Doordat de analyses op een vergelijkbare manier gebeuren, zijn de metingen betrouwbaarder en beter vergelijkbaar met de metingen van nieuwe zonnecellen. “Met de technologie die we hebben ontwikkeld, kunnen we eindelijk in de modules kijken. Dit betekent dat veel onderzoeksmethoden die we al jaren in het laboratorium gebruiken om zonnecellen te testen, nu op deze defecte modules kunnen worden toegepast. ”, aldus Mirjam Theelen, onderzoeker bij TNO / Solliance, “Al die vierkante kilometers aan geïnstalleerde zonnepanelen worden een enorme proeftuin waarop we autopsie kunnen uitvoeren door stukjes kapotte modules als losse cellen te onderzoeken. Op deze manier kunnen we analyses op nanometerschaal uitvoeren van de degradatie-effecten die worden aangetroffen op PV-installaties op kilometerschaal. ”

Shared research

Een voorbeeld van de vele toepassingen die deze methode mogelijk maakt is een onderzoekssamenwerking met Universiteit Twente. Samen met de onderzoeksgroep van prof. dr. Jurriaan Schmitz, wordt onderzoek gedaan naar Potential Induced Degradation (PID). PID is een veelvoorkomend faalmechanisme in zonnecellen. Deze post-mortem studie biedt nieuwe mogelijkheden om de fysisch-chemische effecten van PID beter te bestuderen.

Ook het Duitse Photovoltaic Institute Berlin werkt samen met Solliance en TNO in dit onderzoek. Thomas Weber, onderzoeker bij PI Berlin: “We doen grootschalig onderzoek aan panelen in het veld. Met dit onderzoek leren we waarom sommige panelen minder elektriciteit zijn gaan opwekken. Zo kunnen we beter voorspellen wat de opbrengst zal zijn gedurende de lange levensduur van een zonnepaneel. ”

Eerste resultaten

Er zijn al meer dan 100 monsters genomen en geanalyseerd, van verschillende typen zonnepanelen met verschillende faalmechanismen. De resultaten van deze onderzoeken leverden waardevolle inzichten op in een extreem gevolg van gedeeltelijke schaduw van de panelen, wormachtige defecten, en in het mechanisme waarmee PID-geïnduceerde defecten ontstaan en zich voortplanten. Die resultaten zijn dit jaar gepresenteerd op internationale conferenties.

Het volledige potentieel van deze techniek is echter nog niet bereikt en zal zich pas ontwikkelen als nieuwe soorten defecten beschikbaar komen voor de onderzoekers en nieuwe betrouwbaarheidsvragen onder hun aandacht worden gebracht.