Chociaż różne rodzaje środowiskowych, elektrycznych i mechanicznych czynników destrukcyjnych są wspólne dla wszystkich typów modułów PV, to reakcja każdej z technologii może się znacznie różnić. Szybkości, mechanizmy i tryby degradacji zależą od chemii materiałów, struktury i hermetyzacji każdego układu.
W części pierwszej tej serii artykułów omówiono degradację modułów na bazie krzemu (Degradacja modułów fotowoltaicznych cz. 1. Krzemowe moduły fotowoltaiczne), natomiast w tym artykule omówione zostaną inne typu urządzeń, technologicznie również uznawane za dojrzałe, tj. tellurek kadmu CdTe i diselenek miedziowo-indowo-galowy (CIGS).
Tellurek kadmu (CdTe)
Technologia CdTe dominuje na rynku cienkowarstwowych paneli fotowoltaicznych ze względu na relatywnie niski koszt produkcji, wzrost wydajności modułów, niski współczynnik temperaturowy (0,25 %/⁰C) i dużą skalę produkcji wynikającą w dużej mierze z jednego producenta, firmy First Solar, która obecnie produkuje ponad 5 GW rocznie [V. Sharma et al., Energy, 2014, 72, 536-546]. Naukowcy szacują, że zakres wskaźników degradacji mocy modułów CdTe plasuje się na poziomie od 0,2 do 4 %/rok [S. Wendlandt et al., 30th ISES Biennial Solar World Congress, 2011]. Wartości te można częściowo przypisać zmianom w metodzie produkcji i uszczelnieniu modułu, ale w dużej mierze wynika to z nieliniowego rozwoju degradacji modułu CdTe w czasie.
Najważniejsze typy degradacji modułów CdTe:
Pęknięcie przedniej szyby. W przypadku technologii CdTe należy wziąć pod uwagę ograniczenia nałożone na proces produkcyjny przez konfigurację modułu, w którym przednia szyba jest używana jako podłoże do osadzania cienkich warstw absorbera. Uniemożliwia to hartowanie przedniej szyby, ponieważ musi ona wytrzymać szereg cykli temperaturowych podczas osadzania powłok cienkowarstwowych i obróbki cieplnej, co sprawia, że moduły CdTe są bardziej podatne na uszkodzenia [A.K.V. de Oliveira et al., Sol Energy., 2020, 211, 712-724].
Degradacja kontaktu tylnego. Rola miedzi w modułach CdTe była ważnym czynnikiem zmniejszania rezystancji szeregowej elektrod tylnych i domieszkowania warstwy absorbera CdTe [J. Perrenoud et al., J. Appl. Phys., 2013, 114(17), 174505]. Jednak zbyt duża ilość miedzi nałożona na tylną powierzchnię powoduje jej dyfuzję do przedniego złącza, rekombinację i spadek napięcia VOC. Dodatkowo wysoka temperatura pracy modułu może zwiększyć to zjawisko [N. Strevel et al., PV Int., 2012, 17, 1-8]. Radykalnym rozwiązaniem procesu degradacji związanego z miedzią jest zastąpienie Cu innym pierwiastkiem. Wykazano, że arsen jako domieszka, nie dyfunduje do warstwy buforowej, więc powinien poprawić długoterminową stabilność [G. Kartopu et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells., 2019, 194, 259-267].
PID. Podobnie jak w przypadku modułów na bazie krzemu krystalicznego, zjawisko PID (ang. Potential Induced Degradation) w modułach CdTe jest również zauważalne. Degradacja następuje wraz z widoczną przezroczystą korozją tlenków przewodzących (TCO) wokół zacisków i obszaru krawędzi [T. Weber et al., 33rd Eur. Photovolt. Conf. Exhib., 2017]. Prąd upływu powstaje z powodu dużej różnicy potencjałów między uziemioną ramą a ogniwami. Podłoże dla modułów CdTe jest zwykle szkłem sodowo-wapniowym, a uwolniony sód (pod wpływem różnicy potencjału i wilgoci) może migrować obniżając wydajność ogniwa, poprzez wprowadzenie centrów rekombinacji, wywołując spadek napięcia VOC i współczynnika wypełnienia FF [J. Kettle et al., Prog. Photovolt. Res. Appl., 2022, 30, 1365-1392].
Rys. 1. Moduł fotowoltaiczny na bazie tellurku kadmu produkcji firmy First Solar [materiały promocyjne firmy First Solar].
Diselenek miedziowo-indowo-galowy (CIGS)
CIGS jest obecnie jedną z najbardziej dojrzałych cienkowarstwowych technologii fotowoltaicznych cechującą się szybkim wzrostem mocy, niskim kosztem produkcji, krótkim czasem zwrotu, swobodą w doborze kształtu oraz elastycznością urządzeń. Maksymalna wartość wskaźnika degradacji mocy dla tej technologii wyniosła 1 % rocznie [D.C. Jordan et al., Prog. Photovoltaics Res. Appl., 2016, 24, 978-989].
Najważniejsze typy degradacji modułów CIGS:
Zmniejszenie przewodności elektrody z powodu wnikania wody. Aby zbadać wpływ wilgoci, europejscy naukowcy w latach 2014-16 w pierwszej kolejności obserwowali spadek wydajności ogniw CIGS bez hermetyzacji w wilgotnych warunkach cieplnych (85 ⁰C / 85 % RH), w ten sposób określając wewnętrzną stabilność. Badania ujawniły zróżnicowane tempo degradacji w tych warunkach, czego wynikiem był spadek parametrów FF i VOC, nieobserwowany w warunkach suchego ciepła i hermetyzowanych modułów niezależnie od wilgotności [M. Theelen et al., Sol. Energy, 2016, 133, 586-627]. W obecności wilgoci, obserwuje się degradację przewodzącej warstwy molibdenu, która działa jako elektroda tylna. Materiał ten może się utleniać, jeśli jest bezpośrednio wystawiony na działanie ciekłej wody i tlenu, zwłaszcza w podwyższonych temperaturach [M. Theelen et al., Surf. Coat. Technol., 2014, 252, 157-167]. Oznacza to, że odpowiednia hermetyzacja, zarówno elastycznych, jak i sztywnych modułów, wystarczy, aby zapewnić stabilność urządzeń.
Migracja pierwiastków alkalicznych i PID. Pierwiastki alkaliczne, szczególnie sód, są obecne w ogniwach słonecznych CIGS, ponieważ podłożem dla modułów CIGS jest, tak jak w przypadku ogniw CdTe, szkło sodowo-wapniowe, a ponadto same ogniwa są domieszkowane sodem w celu zapewnienia lepszej pasywacji defektów. Łączna ekspozycja na wilgotne ciepło i oświetlenie (prowadzące do niewielkiego napięcia polaryzacji na ogniwie) niehermetyzowanych ogniw prowadzi do uwalniania i migracji pierwiastków alkalicznych, mając negatywny wpływ na rezystancję ogniwa [M. Theelen et al., Sol. Energy Mater. Sol. Cells, 2016, 157, 943-952]. Migracja pierwiastków alkalicznych może być również wywołana zewnętrznym napięciem i może prowadzić do efektu PID, jak w przypadku systemów na bazie krzemu krystalicznego i tellurku kadmu. Jednakże porównując te trzy technologie, w tych samych warunkach testowych, wykazano, że cienkowarstwowe moduły fotowoltaiczne CIGS mają wyższą odporność na PID [S. Yamaguchi et al., Jpn. J. Appl. Phys., 2015, 54(8S1), 08KC13].
Częściowe zacienienie. Wpływ częściowego zacienienia silnie zależy od konstrukcji modułu. Komercyjne moduły CIGS można podzielić na dwie klasy. Pierwsza klasa składa się z oddzielnych ogniw połączonych szeregowo lub równolegle i tak jak w przypadku modułów krzemowych, ich konstrukcja pozwala na zastosowanie diod by-pass, dzięki czemu można zminimalizować negatywny wpływ częściowego zacienienia. Takie moduły mogą być z łatwością implementowane w pojazdach, na tekstyliach i fasadach. Druga grupa to sztywne, monolitycznie połączone ze sobą moduły składające się z połączonych szeregowo długich, wąskich ogniw. Ogólnie rzecz biorąc, moduły te utrzymują moc wyjściową, gdy są częściowo zacienione [J.F. Guillemoles et al., Thin Solid Films, 2002, 403-404, 405-409], ale są narażone na skutki długoterminowe gdy jedno lub więcej ogniw jest całkowicie zacienionych, a inne oświetlone, co może prowadzić do odwrotnej polaryzacji. Moduły te zasadniczo nie zawierają diod bocznikujących.