Amerykańscy naukowcy z NREL (National Renewable Energy Laboratory) przy współpracy z przedstawicielami firmy SunPower przeanalizowali mechanizmy i ścieżki przepływu prądu upływu obserwowane w modułach fotowoltaicznych na bazie krzemu krystalicznego, które uprzednio zostały poddane działaniu wysokiej temperatury i wilgotności oraz dużej polaryzacji napięcia względem ziemi.
Zauważyli, że prąd wewnątrz ramy ma postać ruchu elektronów, ale w szkle i polimerze duży udział związany jest z ruchem jonów. Kiedy sposób przepływu prądu zmienia się z przewodnictwa elektronowego na jonowy, na granicy faz zachodzą reakcje elektrochemiczne, w których powstają lotne związki chemiczne, takie jak H2, COx i O2, a także związki jonowe, takie jak OH- i H3O+. Naukowcy przedstawiali rozważania na temat ładowania/rozładowania ogniw fotowoltaicznych podkreślając, jak ważne jest określenie działających mechanizmów w zrozumieniu niektórych procesów degradacji w modułach fotowoltaicznych. W szczególności interfejs szkło/polimer tworzy zubożony obszar o większej rezystancji po dłuższym wystawieniu na działanie prądu. Ładunek elektryczny gromadzi się również na styku powłoki antyrefleksyjnej i polimeru i przeważnie przepływa do elektrod, gdzie zachodzą reakcje elektrochemiczne. Te złożoności skutkują nieliniowym zachowaniem, w którym rezystywność pozorna różnych warstw zmienia się podczas procesów ładowania/rozładowania [M. Kempe, et al., Prog. Photovolt. Res. Appl., 2023, 31, 700-715].
Pojawiające się napięcie w układzie modułów słonecznych powoduje powstanie prądu upływu między ogniwami słonecznymi, a uziemionymi metalowymi ramami. W wyniku tego zjawiska obserwuje się wiele różnych form degradacji indukowanej potencjałem, w tym bocznikowanie, polaryzację, rozwarstwienie i korozję. Prąd upływu może składać się z elektronowych lub jonowych nośników ładunku [F.V. Natrup, et al., Phys. Chem. Chem, Phys., 2005, 7(11), 2279-2286; E. Seddon, et al., J. Soc. Glass. Technol., 1932, 16, 450]. Przykładowo jony Na+, obecne w wyniku składu chemicznego używanego szkła, pojawiają się początkowo na powierzchni styku z polimerem hermetyzującym (np. EVA), później przenoszą się na powierzchnię ogniwa żeby ostatecznie dyfundować w głąb ogniwa pod wpływem pola elektrycznego, tym samym gromadząc się w pobliżu elektrod jako cząsteczki jonowe. W przypadku ogniw na bazie krzemu krystalicznego jony powodują powstawanie efektu PID [V. Naumann, et al., Energy Procedia. 2015, 77, 397-401]. Należy podkreślić, ze ruch jonów jest istotną formą transportu ładunku w izolatorach, a przepływ prądu w szkle jest prawie wyłącznie jonowy. Podobnie przewodzenie ładunku w materiałach polimerowych zależy od natury tego polimeru i jest uważane za ruch elektronów lub jonów, ale przede wszystkim ma charakter jonowy, jak w przypadku Na+ w EVA.
Skumulowany ładunek wynikający z całkowania prądu upływu, wykorzystano do oceny wpływu degradacji wywołanej potencjałem [J. Li, et al., Solar Energy Mater. Solar Cells, 2018, 188, 273-279]. Prąd upływu jest silnie zależny od temperatury [J.D. Berghold, et al., IEEE 40th Photovoltaic Specialist Conference (PVSC), 2014, 1987-1992] wilgotności [P. Hacke, et al., Photovoltaic Specialists Conference (PVSC), 2011, 814-820], geometrii [J.A.D. Cueto, S.R. Rummel, Proc SPIE, 2010, 7773], napięcia i zanieczyszczeń [B.M. Habersberger, P. Hacke, EUPVSEC, 2020]. Jednak zjawiska elektrochemiczne spowodowane prądem upływu nie są jeszcze dobrze poznane, a ich wpływ na rozwarstwienie i korozję wywołaną tymi reakcjami nie jest dobrze opisany. Naukowcy zbadali zatem charakterystyki prądowe modułu fotowoltaicznego, aby spróbować zrozumieć mechanizm przenoszenia i akumulacji ładunku elektrycznego określając lokalizację reakcji chemicznych i ich naturę. W eksperymentach własnych stworzyli próbki testowe pojedynczych ogniw, aby przeanalizować zachowanie prądu upływu podczas ładowania i rozładowania akumulatora i wyjaśnić naturę oraz konsekwencje degradacji i efektów korozji elektrochemicznej w modułach fotowoltaicznych. Pokazano, że niska przewodność szkła reguluje krótkoterminowe (ok. 30 sekundowe) ładowanie na granicy faz polimer-szkło. Ładowanie/rozładowanie tego interfejsu nie pasuje do prostego modelu obwodu RC. Ze względu na pojemność ogniwa, która pozostaje niezmieniona przez ruch niewielkich ilości ładunków, wyjaśnieniem musi być rezystancja szkła i potencjały elektrochemiczne, które powodują duże odchylenia od prostego zachowania obwodu. Podczas ładowania rezystancja szkła wzrasta. Szkło ma zbyt wiele nośników ładunku, aby utworzyć obszar ładunku przestrzennego w całym materiale, ale uważa się, że wyczerpywanie się cienkich warstw nośników ładunku na powierzchniach może służyć do zwiększenia pozornej rezystywności, a także do wytworzenia gradientu potencjału elektrochemicznego w szkle. Następnie, po usunięciu napięcia, zakłada się, że ten gradient elektrochemiczny ułatwia rozładowanie z większą szybkością niż podczas ładowania, co wskazuje, że przynajmniej przez krótki czas zastępuje on wpływ rezystancji na obszarach powierzchni zubożonych w ładunek.
Po przyłożeniu napięcia do układu występują efekty ładowania, które dodają niewielkie ilości ładunku do powierzchni styku szkło/polimer, ale głównym obszarem zainteresowania jest gromadzenie się ładunku na powierzchni styku powłoki antyrefleksyjnej (AR) z polimerem. Ładunek przepływa w niewielkim stopniu przez powłokę AR, biorąc jednak pod uwagę, że efekty ładowania nie są aż tak istotne dla użytych ogniw SunPower BC, musi istnieć pewna odporność na reakcje elektrochemiczne na granicy metalizacji, gdzie nośniki ładunku zmieniają się z jonowych na elektronowe.
Naukowcy zauważyli, że podczas rozładowania (po usunięciu napięcia) istnieją wyraźne dowody na występowanie kilku różnych procesów rozładowania z udziałem co najmniej dwóch różnych nośników ładunku w polimerze. Ponadto krzywa rozładowania jest początkowo zbyt szybka (tj. przez pierwsze 30 sekund), aby można ją było wytłumaczyć liniowo działającymi rezystancjami. Istnieją dodatkowe mechanizmy powodujące początkowo dużą siłę napędową lub alternatywnie niski opór przenoszenia ładunku, co można częściowo wyjaśnić obecnością elektrochemicznych sił napędowych.
W wielu dostępnych modelach wpływu prądu upływu na działanie modułu PV przyjmuje się uproszczone założenie, że rezystancja jest stała, ale aktualne doniesienia pokazują, że jest to w rzeczywistości błędna hipoteza. Odkrycie to jest potwierdzeniem znaczącego wpływu różnych nośników ładunku o różniących się szybkościach dyfuzji i wpływu zachodzących procesów elektrochemicznych.
