DE102018222585A1 - Method and device for reducing the potential induced degradation of solar cells - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft ein Solarmodul zur Erzeugung von elektrischem Strom umfassend eine Mehrzahl von fotovoltaischen Zellen (13), die elektrisch miteinander verbunden sind, wobei eine fotovoltaische Zelle (13) zwei Elektroden aufweist und sich zwischen den beiden Elektroden ein Material befindet, in dem freie Ladungsträger durch eine elektromagnetische Welle erzeugt werden können, sowie an fotovoltaische Zellen (13) ein oder mehrere angrenzende Komponenten (10), dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Einrichtung (15, 30, 31) vorhanden ist, durch welche während einer Erzeugung von elektrischem Strom eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen einer Seite einer fotovoltaischen Zelle (13) und einer daran angrenzenden Komponente (10) verringert wird.Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren für den Betrieb des Solarmoduls.Durch die Erfindung kann ein langlebiges und leistungsfähiges Solarmodul bereitgestellt werden.The invention relates to a solar module for generating electrical current, comprising a plurality of photovoltaic cells (13) which are electrically connected to one another, a photovoltaic cell (13) having two electrodes and a material between the two electrodes containing free charge carriers can be generated by an electromagnetic wave, as well as one or more adjacent components (10) on photovoltaic cells (13), characterized in that an electrical device (15, 30, 31) is present, by means of which a electrical potential difference between one side of a photovoltaic cell (13) and an adjoining component (10) is reduced. The invention also relates to a method for operating the solar module. The invention can provide a durable and powerful solar module.
Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Solarmodul sowie ein Verfahren für den Betrieb des Solarmoduls.The invention relates to a solar module and a method for operating the solar module.
Ein Solarmodul besteht aus einer Mehrzahl von fotovoltaischen Zellen. Durch eine fotovoltaische Zelle kann Strahlungsenergie, insbesondere Licht, in elektrische Energie umwandelt werden. Eine fotovoltaische Zelle, auch Solarzelle genannt, umfasst ein Material, beispielsweise ein Halbleitermaterial, in dem durch eine elektromagnetische Strahlung freie Ladungsträger erzeugt werden. An dem genannten Material grenzen zwei Elektroden an. Das genannte Material befindet sich dann zwischen den zwei Elektroden. Beispielsweise durch ein elektrisches Feld, so zum Beispiel durch ein internes elektrisches Feld eines pn-Halbleiters, werden die erzeugten freien Ladungsträger aus dem genannten Material herausgeführt. Über die angrenzenden Elektroden kann der so erzeugte elektrische Strom einem elektrischen Verbraucher zugeführt werden.A solar module consists of a plurality of photovoltaic cells. A photovoltaic cell can convert radiation energy, in particular light, into electrical energy. A photovoltaic cell, also called a solar cell, comprises a material, for example a semiconductor material, in which free charge carriers are generated by electromagnetic radiation. Two electrodes are adjacent to the material mentioned. The material mentioned is then between the two electrodes. For example, an electric field, such as an internal electric field of a pn-type semiconductor, leads the free charge carriers generated out of the material mentioned. The electrical current thus generated can be supplied to an electrical consumer via the adjacent electrodes.
Die fotovoltaischen Zellen eines Solarmoduls sind elektrisch miteinander verbunden und zwar in der Regel seriell. Die fotovoltaischen Zellen eines Solarmoduls können beispielsweise durch eine Glasabdeckung geschützt sein. Alternativ oder ergänzend können ein oder mehrere andere, zum Beispiel aus Kunststoff bestehende Schutzschichten vorhanden sein. Ein Solarmodul kann eine Antireflexschicht umfassen. Ein Solarmodul kann aus Schutzgründen einen Rahmen umfassen. Der Rahmen kann elektrisch geerdet sein.The photovoltaic cells of a solar module are electrically connected to each other, usually in series. The photovoltaic cells of a solar module can be protected, for example, by a glass cover. Alternatively or in addition, one or more other protective layers, for example made of plastic, may be present. A solar module can include an anti-reflective layer. For reasons of protection, a solar module can include a frame. The frame can be electrically grounded.
Während des Betriebs eines Solarmoduls befindet sich eine Seite der fotovoltaischen Zellen auf positivem Potenzial und eine gegenüberliegende Seite der fotovoltaischen Zellen auf negativem Potenzial. Daran angrenzende Komponenten wie Glasscheibe, andere Schichten oder Rahmen befinden sich auf Nullpotenzial oder nahe beim Nullpotenzial. Es treten daher während des Betriebs Potenzialdifferenzen zwischen Oberflächen von fotovoltaischen Zellen und daran angrenzenden Komponenten auf. Durch solche Potenzialdifferenzen können Ionen, beispielsweise Na+ Ionen, aus genannten Komponenten zu den Solarzellen wandern und diese schädigen. Dieser negative Effekt, der potenzialinduzierte oder spannungsbedingte Degradation genannt wird, kann große Leistungsverluste verursachen.During the operation of a solar module, one side of the photovoltaic cells is at a positive potential and an opposite side of the photovoltaic cells is at a negative potential. Adjacent components such as glass, other layers or frames are at zero potential or close to zero potential. Potential differences therefore occur during operation between surfaces of photovoltaic cells and adjoining components. Such potential differences can cause ions, for example Na + ions, to migrate from the components mentioned to the solar cells and damage them. This negative effect, which is called potential-induced or voltage-related degradation, can cause large power losses.
Aus der
Aus der
Es ist Aufgabe der Erfindung, leistungsfähige und langlebige Solarmodule zu schaffen.It is an object of the invention to create powerful and long-lasting solar modules.
Die Aufgabe wird durch ein Solarmodul nach Anspruch 1 sowie durch ein Verfahren gemäß nebengeordnetem Anspruch gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweils darauf rückbezogenen Ansprüchen.The object is achieved by a solar module according to claim 1 and by a method according to the independent claim. Advantageous refinements result from the claims which refer back to them in each case.
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Solarmodul zur Erzeugung von elektrischem Strom vorgesehen, das eine Mehrzahl von fotovoltaischen Zellen umfasst. Ein jedes Modul kann mehr als 10 fotovoltaische Zellen, so zum Beispiel mehr als 50 fotovoltaische Zellen umfassen.To solve the problem, a solar module for generating electrical current is provided, which comprises a plurality of photovoltaic cells. Each module can comprise more than 10 photovoltaic cells, for example more than 50 photovoltaic cells.
Die fotovoltaischen Zellen eines Solarmoduls sind elektrisch miteinander verbunden und zwar vorzugsweise seriell, damit durch ein Solarmodul eine höhere Spannung im Vergleich zu der Spannung, die eine einzelne fotovoltaische Zelle erzeugen kann, bereitgestellt werden kann.The photovoltaic cells of a solar module are electrically connected to one another, preferably in series, so that a solar module can provide a higher voltage compared to the voltage that a single photovoltaic cell can generate.
Eine fotovoltaische Zelle weist zwei Elektroden auf. Zwischen den beiden Elektroden befindet sich ein Material, in dem freie Ladungsträger durch eine elektromagnetische Welle erzeugt werden können. Das Material kann beispielsweise kristallines, polykristallines oder amorphes Silizium sein. Das Material kann ein III-V-Halbleiter sein wie zum Beispiel GaAs. Das Material kann ein II-VI-Halbleiter sein wie zum Beispiel CdTe. Das Material kann ein I-III-Vl-Halbleiter sein wie zum Beispiel Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid. Das Material kann auf organischen Kohlenwasserstoffverbindungen oder organische Farbstoffen basieren. Das Material kann dotiert sein.A photovoltaic cell has two electrodes. There is a material between the two electrodes in which free charge carriers can be generated by an electromagnetic wave. The material can be crystalline, polycrystalline or amorphous silicon, for example. The material can be a III-V semiconductor, such as GaAs. The material can be a II-VI semiconductor such as CdTe. The material can be an I-III-VI semiconductor such as copper indium gallium diselenide. The material can be based on organic hydrocarbon compounds or organic dyes. The material can be doped.
Die Elektroden bestehen aus einem elektrisch leitfähigen Material, beispielsweise aus Metall wie Kupfer oder Silber. Auf einer Licht einfallenden Seite ist eine Elektrode transparent und besteht beispielsweise aus Indiumzinnoxid, Fluor-Zinn-Oxid, Aluminium-Zink-Oxid oder Antimon-Zinn-Oxid.The electrodes consist of an electrically conductive material, for example of metal such as copper or silver. An electrode is transparent on a light-incident side and consists, for example, of indium tin oxide, fluorine-tin oxide, aluminum-zinc oxide or antimony-tin oxide.
An fotovoltaische Zellen grenzen Komponenten an wie zum Beispiel eine Glasscheibe oder eine aus Kunststoff bestehende Schicht.Components such as a glass pane or a layer made of plastic adjoin photovoltaic cells.
Es ist eine elektrische Einrichtung vorhanden, durch welche während einer Erzeugung von elektrischem Strom eine elektrische Potenzialdifferenz zwischen einer Seite einer fotovoltaischen Zelle und einer daran angrenzenden Komponente verringert wird. Grenzt eine Komponente an der Seite einer Solarzelle an, die sich während der Stromerzeugung auf negativem Potenzial befindet, dann wird diese angrenzende Komponente beispielsweise durch die elektrische Einrichtung ebenfalls so auf ein negatives Potenzial gebracht, dass sich die Potenzialdifferenz verringert. Grenzt eine Komponente an der Seite einer Solarzelle an, die sich während der Stromerzeugung auf positivem Potenzial befindet, dann wird diese angrenzende Komponente beispielsweise durch die elektrische Einrichtung ebenfalls so auf ein positives Potenzial gebracht, dass sich die Potenzialdifferenz verringert.There is an electrical device through which an electrical potential difference between one side of a photovoltaic cell is generated during the generation of electrical current and an adjoining component is reduced. If a component borders the side of a solar cell that is at negative potential during power generation, then this adjacent component is also brought to a negative potential, for example by the electrical device, in such a way that the potential difference is reduced. If a component borders on the side of a solar cell that is at positive potential during power generation, then this adjacent component is also brought to a positive potential, for example by the electrical device, in such a way that the potential difference is reduced.
Durch die Potenzialangleichung wird vermieden, dass das Solarmodul durch potenzialinduzierte Degradation geschädigt werden kann. Die Langlebigkeit eines Solarmoduls wird dadurch verbessert. Die elektrische Leistung, die dafür aufgewendet werden muss, ist äußerst gering. Dadurch verursachte Leistungsverluste sind daher vernachlässigbar klein. Der technische Aufwand kann gering gehalten werden.The potential equalization prevents the solar module from being damaged by potential-induced degradation. This improves the longevity of a solar module. The electrical power that has to be used for this is extremely low. Power losses caused by this are therefore negligibly small. The technical effort can be kept low.
Vorzugsweise ist die elektrische Einrichtung so eingerichtet, dass die erforderliche elektrische Leistung durch das Solarmodul während des Betriebes bereitgestellt wird. Dann kann das Solarmodul autark betrieben werden.The electrical device is preferably set up such that the required electrical power is provided by the solar module during operation. Then the solar module can be operated independently.
Die angrenzende Komponente kann eine Glasscheibe sein. Die Glasscheibe kann auf Elektroden der fotovoltaischen Zellen unmittelbar aufliegen. Die Glasscheibe kann mit Elektroden verklebt sein. Es kann zumindest eine Zwischenschicht zwischen Elektroden und Glasscheibe vorhanden sein.The adjacent component can be a glass pane. The glass pane can rest directly on electrodes of the photovoltaic cells. The glass pane can be glued with electrodes. There may be at least one intermediate layer between the electrodes and the glass pane.
In einer technisch einfachen Ausgestaltung umfasst die elektrische Einrichtung ein oder Schutzkontakte. Ein jeder Schutzkontakt kann auf der angrenzenden Komponente anliegen. Ein jeder Schutzkontakt kann mit angrenzenden Komponente verklebt sein. Die angrenzende Komponente kann sich zwischen zwei Schutzkontakten befinden. Zwei Schutzkontakte der elektrischen Einrichtung können auf gegenüberliegenden Seiten der angrenzenden Komponente aufliegen, beispielsweise auf einer Glasscheibe. Die ein oder mehreren Schutzkontakte können beispielsweise an einer Glasscheibe angebracht sein.In a technically simple embodiment, the electrical device comprises one or protective contacts. Each protective contact can rest on the adjacent component. Each protective contact can be glued to adjacent components. The adjacent component can be between two protective contacts. Two protective contacts of the electrical device can rest on opposite sides of the adjacent component, for example on a glass pane. The one or more protective contacts can be attached to a glass pane, for example.
Ein oder mehrere Schutzkontakte der elektrischen Einrichtung können rahmenartig sein, so zum Beispiel rechteckig oder quadratisch, um eine Potenzialdifferenz geeignet zu verringern, ohne einen Einfall einer elektromagnetischen Welle übermäßig zu behindern.One or more protective contacts of the electrical device can be frame-like, for example rectangular or square, in order to suitably reduce a potential difference without excessively hindering the incidence of an electromagnetic wave.
Ein oder mehrere Schutzkontakte der elektrischen Einrichtung grenzen vorzugsweise an den Rand des Solarmoduls an, um weiter verbessert eine Potenzialdifferenz geeignet zu verringern, ohne einen Einfall einer elektromagnetischen Welle übermäßig zu behindern. Ein oder mehrere Schutzkontakte der elektrischen Einrichtung verlaufen dann nahe beim Rand eines Solarmoduls sowie in der Regel parallel zum Rand des Solarmoduls. Der Abstand zu einem Rahmen oder Rand eines Solarmoduls und einem Schutzkontakt der elektrischen Einrichtung kann dann weniger als 5 cm, vorzugsweise weniger als 3 cm, besonders bevorzugt weniger als 1 cm betragen.One or more protective contacts of the electrical device preferably adjoin the edge of the solar module in order to further suitably reduce a potential difference without excessively hindering the incidence of an electromagnetic wave. One or more protective contacts of the electrical device then run close to the edge of a solar module and generally parallel to the edge of the solar module. The distance to a frame or edge of a solar module and a protective contact of the electrical device can then be less than 5 cm, preferably less than 3 cm, particularly preferably less than 1 cm.
Die ein oder mehreren Schutzkontakte können in Aufsicht auf die Solarzellen gesehen um die Solarzellen herum verlaufen.The one or more protective contacts can run around the solar cells when viewed from the top of the solar cells.
Ein oder mehrere Schutzkontakte der elektrischen Einrichtung können aus einem transparenten, elektrisch leitfähigen Material bestehen, um Leistungsverluste weiter verbessert zu reduzieren. Ein oder mehrere Schutzkontakte der elektrischen Einrichtung können aus einem Metall bestehen.One or more protective contacts of the electrical device can consist of a transparent, electrically conductive material in order to further reduce power losses. One or more protective contacts of the electrical device can consist of a metal.
Zumindest ein Schutzkontakt der elektrischen Einrichtung ist vorzugsweise mit einem elektrischen Widerstand verbunden. Im installierten Zustand des Solarmoduls ist dieser Widerstand mit Masse verbunden, also geerdet. Der elektrische Widerstand kann mit einem elektrisch leitfähigen Rahmen des Solarmoduls verbunden sein, wenn vorgesehen ist, den elektrisch leitfähigen Rahmen im installierten Zustand zu erden. Eine Gefährdung von Personen aufgrund eines elektrischen Stroms durch einen Schutzkontakt wird so vermieden.At least one protective contact of the electrical device is preferably connected to an electrical resistor. When the solar module is installed, this resistor is connected to ground, i.e. grounded. The electrical resistance can be connected to an electrically conductive frame of the solar module if it is intended to ground the electrically conductive frame in the installed state. A risk to people due to an electrical current through a protective contact is thus avoided.
Der Widerstand kann an einem Ende eine Einrichtung für eine Erdung umfassen, also ein Mittel wie zum Beispiel einen elektrischen Stecker oder eine elektrische Buchse, um den Widerstand durch eine elektrische Steckverbindung mit Masse zu verbinden. Es kann sich aber auch um ein elektrisches Kabel handeln, das mit seinem freien Ende beispielsweise mit einer Klemmverbindung verbunden werden kann.The resistor may include a grounding means at one end, such as a means such as an electrical connector or an electrical socket, for connecting the resistor to ground through an electrical connector. But it can also be an electrical cable that can be connected with its free end, for example with a clamp connection.
Der elektrische Widerstand kann mehr als 1 kΩ, vorzugsweise mehr als 10 kΩ, besonders bevorzugt mehr als 100 kΩ betragen.The electrical resistance can be more than 1 kΩ, preferably more than 10 kΩ, particularly preferably more than 100 kΩ.
Das Solarmodul umfasst in einer Ausgestaltung einen Rahmen, der im installierten Zustand aus Schutzgründen geerdet sein kann, also dann mit Masse verbunden ist. Zu diesem Zweck kann der Rahmen eine Einrichtung für eine Erdung des Rahmens umfassen. Es handelt sich bei dieser Einrichtung beispielsweise um einen elektrischen Stecker oder eine elektrische Buchse, die mit einer Erdung bzw. mit Masse durch eine elektrische Steckverbindung verbunden werden kann. Es kann sich aber auch um ein elektrisches Kabel handeln, das mit seinem freien Ende mit einer Klemmverbindung verbunden werden kann.In one embodiment, the solar module comprises a frame which, in the installed state, can be grounded for protection reasons, that is to say it is then connected to ground. To this end, the frame may include means for grounding the frame. This device is, for example, an electrical plug or an electrical socket which can be connected to a ground or to the ground by means of an electrical plug connection. But it can also be an electrical cable that comes with its free end can be connected to a clamp connection.
Die Erfindung betrifft insbesondere eine Mehrzahl von Solarmodulen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind. Insbesondere in diesem Fall können Solarmodule durch die Degradation geschädigt werden, was durch die Erfindung zuverlässig mit geringem technischem Aufwand und mit geringem Leistungsverlust vermieden wird.The invention particularly relates to a plurality of solar modules that are electrically connected in series. In this case in particular, solar modules can be damaged by the degradation, which is reliably avoided by the invention with little technical effort and with little loss of power.
Während des Betriebs trifft eine elektromagnetische Strahlung, insbesondere Licht, auf das Solarmodul auf, wodurch das Solarmodul einen elektrischen Strom erzeugt. Während des Erzeugens des elektrischen Stroms nähert die elektrische Einrichtung das elektrische Potenzial einer Komponente dem elektrischen Potenzial an, auf dem sich eine daran angerenzende Seite der fotovoltaischen Zelle befindet. Die daran angerenzende Seite der fotovoltaischen Zelle befindet sich insbesondere auf negativem Potenzial, da dieser Fall besonders problematisch ist.During operation, electromagnetic radiation, in particular light, strikes the solar module, as a result of which the solar module generates an electrical current. During the generation of the electrical current, the electrical device approaches the electrical potential of a component to the electrical potential on which an adjoining side of the photovoltaic cell is located. The adjoining side of the photovoltaic cell is in particular of negative potential, since this case is particularly problematic.
Im Folgenden wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen und der beigefügten
Es zeigen:
-
1 : Querschnitt eines geerdeten Solarmoduls nach dem Stand der Technik mit möglichen Leckströmen; -
2 : Querschnitt eines geerdeten Solarmoduls mit erfindungsgemäßen Schutzkontakten zur Reduktion der potenzialinduzierten Degradation; -
3 : Aufsicht auf ein Solarmodul mit erfindungsgemäßem Schutzkontakt.
-
1 : Cross section of an earthed solar module according to the prior art with possible leakage currents; -
2nd : Cross-section of an earthed solar module with protective contacts according to the invention for reducing the potential-induced degradation; -
3rd : Supervision of a solar module with protective contact according to the invention.
In
In
Durch Erfindung kann eine Schädigung von Solarzellen
Bezugszeichenliste Reference list
- 10:10:
- Glasplatte der FrontseiteGlass plate on the front
- 11:11:
- Rückwand des SolarmodulsRear wall of the solar module
- 12:12:
- Ethylen-Vinyl-Acetat Schicht (EVA)Ethylene vinyl acetate layer (EVA)
- 13:13:
- fotovoltaische Zellephotovoltaic cell
- 14:14:
- Rahmenframe
- 15:15:
- SchutzkontaktProtective contact
- 20:20:
- LeckstromwegLeakage current path
- 21:21:
- LeckstromwegLeakage current path
- 22:22:
- LeckstromwegLeakage current path
- 23:23:
- LeckstromwegLeakage current path
- 30:30:
- SchutzkontaktleitungProtective contact line
- 31:31:
- SchutzkontaktleitungProtective contact line
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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