JP7088487B2 - 太陽電池モジュールの寿命予測方法 - Google Patents
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Description
太陽電池モジュールに可動式ラマン分光器のラマンプローブを接近させてレーザ光を照射する工程(1)と、
前記工程(1)で照射したレーザ光により前記太陽電池モジュールの封止材のラマンスペクトルを獲得する工程(2)と、
前記工程(2)で獲得された前記太陽電池モジュール内の封止材のメチレン基のスペクトル強度を強度Aとし、波数が1800~2700cm-1の範囲をベースラインとしそのベースラインの範囲内で任意に選択した波数におけるカルボニル基(ケトン)の増加に起因するスペクトル強度を強度Bとしたとき、蛍光強度比(D)をD=B/A×100で定義し、前記蛍光強度比(D)に閾値を設け、その閾値を超えた場合に前記太陽電池モジュール内の封止材の劣化が始まり発電劣化が始まると判断する工程(3)と、
I-V測定器により日射照度が600W/m2以上において計測した前記太陽電池モジュールの最大出力を日射照射強度が1kW/m2の値に換算して、第1劣化後の前記太陽電池モジュールの最大出力(Pmax)を獲得する工程(4)と、
工程(3)で獲得された前記太陽電池モジュール封止材の蛍光強度比(D)と工程(4)で獲得された前記太陽電池モジュールの最大出力(Pmax)の関係を求める工程(5)と、
工程(5)から一定期間経過後に、第2劣化後の前記太陽電池モジュール封止材の蛍光強度比(D)と前記太陽電池モジュールの最大出力(Pmax)との関係を求める工程(6)と、
前記第1劣化後及び前記第2劣化後における前記蛍光強度比(D)と前記太陽電池モジュールの最大出力(Pmax)との関係から経年劣化直線を獲得する工程(8)と、
前記蛍光強度比(D)の閾値での最大出力(Pmax)から、前記第1劣化後及び前記第2劣化後における発電劣化率を得る工程(9)と、
前記第1劣化後及び前記第2劣化後における前記太陽電池モジュールの稼働年数と前記発電劣化率から寿命予測直線を得る工程(10)と、
別の太陽電池モジュールにおける蛍光強度比(D)と、前記経年劣化直線とから、前記別の太陽電池モジュールの発電劣化率を求める工程と、
前記別の太陽電池モジュールの前記発電劣化率と、前記寿命予測直線とから、前記別の太陽電池モジュールの稼働年数を求める工程と、
発電所の出力が急激に低下した場合に、μ-PCD法にて前記太陽電池モジュール内の太陽電池セルのキャリア寿命値(τm)と未暴露太陽電池モジュールのキャリア寿命値(τ0)との比の値(τm/τ0)をPID劣化指標として定義し、PID劣化指標が1/2以下であるとき、発電所の出力の急激な低下がPIDの発生に起因すると判断する工程(11)とを含む。
μ-PCD法で評価し、両者の測定評価結果により太陽電池モジュールの寿命を予測することはこれまでになく画期的な寿命予測方法である。従って、太陽電池モジュールの寿命予測の結果に基づき、太陽電池モジュールの補修時期や交換時期を正しく決定することができる。
また、本発明によれば、太陽電池発電所に設置されている太陽電池モジュールで一定期間をおいて蛍光強度比(D)と最大出力(Pmax)を少なくとも2点測定すれば蛍光強度比(D)と発電劣化率に関する経年劣化直線を作図することが可能である。この経年劣化直線をもとに稼働年数と発電劣化率との関係を寿命予測直線として作図することができる。この寿命予測直線上で発電劣化率が閾値に到達する年数が太陽電池の予測寿命となる。このようにすることにより太陽電池モジュールを稼働させてから短期間のうちに蛍光強度比(D)と最大出力(Pmax)を測定することにより太陽電池モジュールの将来にわたる寿命を予測することができる。このような寿命予測方法は、従来になく画期的な方法であり、太陽電池発電所を円滑かつ効率的に運営することを可能にする。
前記蛍光強度比(D)の閾値は、前記太陽電池モジュールに使用される封止材の種類等により変更する。
まず、太陽電池モジュールの構成について説明する。
図1は太陽電池モジュールの断面図である。太陽電池モジュール10の発電部分は、複数個の角型の太陽電池セル14がインターコネクタ15により接続されたものである。太陽電池セル14には多数のフィンガー13が配線(印刷)され、太陽電池セル14により発電された電気を集電するように構成されている。太陽電池モジュール10の全体構造は以下のようになっている。すなわち、一方側に透明保護層としてガラス11が配置され、反対側にはバックシート17が配置され、該ガラス11とバックシート17との間に封止材12、16が配置される。太陽電池セル14とフィンガー13とインターコネクタ15は封止材12、16の中に挟まれた形態で配置されている。封止材12、16としては、EVA樹脂(エチレンビニルアセテート)が使用されている。
太陽電池モジュールの劣化には、大きく分けて太陽電池モジュール内に使用されている封止材の劣化に起因する経年劣化とPID現象(potential induced degradation)の発生に起因するPID劣化がある。経年劣化は、封止材の劣化に起因するものであり長期に亘り進行し発電劣化率は徐々に低下する。一方PID劣化は、PID現象の発生に起因し発電劣化率が突然大きく低下する。
太陽電池モジュールの経年劣化にについてラマン分光法を用いた寿命予測方法について説明する。
ラマン分光法による測定原理を、図2を用いて説明する。
図2は、ラマン分光法を使用したラマン分光検査装置100の構成を示している。ラマン分光検査装置100は、検査装置本体20、及び全体制御部50を備えている。ラマン分光測定は、検査装置本体20にて行う。その構成は、以下のとおりである。投光手段としての対物レンズ21は、図示しないレーザ光源から可視光の波長532nmのレーザ光を、検査対象としての太陽電池モジュール10に照射する。レーザ光は、透明保護層としてのカバーガラス11(図1参照)を透過して、封止材12(図1参照)中央部で焦点を結び、焦点位置からラマン散乱光が生じる。ラマン散乱光は、照射したレーザ光より振動数がシフトした物質固有の振動数を持った散乱光である。
長期間使用した太陽電池モジュール中のEVA封止材は、劣化による酢酸発生が認められる。太陽電池モジュール10内部のEVA封止材の劣化(酢酸発生)は、ラマン分光測定器のEVAのスペクトル強度の比(以下、蛍光強度比という)を評価指標とした。封止材の劣化挙動は一般にエステルの分解とカルボニルの変性である。すなわち、封止材内部のエステル基が減少し、ケトン(カルボニル)基が増加することで劣化が生じる。ここで、蛍光強度比(D)として使用した周波数の波数はそれぞれ1800cm-1と2847cm-1とした。蛍光強度比(D)は、下記の(式1)で算出される数値であり、図3における波数1800cm-1におけるスペクトル強度(B)と波数2847cm-1 におけるスペクトル強度(A)の比に100を乗じて%表示したものである。スペクトル強度(A)がメチレン基のピーク強度であり、スペクトル強度(B)はケトン基の強度を示している。蛍光強度比(D)が小さな状態は封止材の劣化が進んでいない状態であり、蛍光強度比(D)が大きくなると劣化が進行した状態であることを示している。尚、メチレン基のスペクトルのピーク強度Aは、2840cm-1から3000cm-1の範囲のピーク強度を封止材の種類等により適宜選ぶことができる。またスペクトル強度Bは、図3のベースラインの範囲(1800cm-1から2700cm-1)で封止材の種類等により適宜選ぶことができる。
蛍光強度比(D)=100×スペクトル強度(B)/スペクトル強度(A)(%) (式1)
発電劣化率の算出は、従来の方法によると太陽電池モジュールの発電量を屋外設置場所にて計測することは難しいので以下のような方法を考案した。
以下に太陽電池発電所における太陽電池モジュール寿命予測方法について図6により説明する。図6(a)は、経年劣化直線の作成方法の説明図であり、図6(b)は、寿命予測直線の作成方法の説明図である。以下手順1から手順7に沿って説明する。
手順2)手順1にて蛍光強度比(D)を測定算出した太陽電池モジュールの最大出力(Pmax)を計測する。IV測定器を用いて日射照度が600W/m2以上において計測した太陽電池モジュールの最大出力を日射照射強度が1kW/m2の値に換算して太陽電池モジュールの最大出力(Pmax)を得る。これにより図中の劣化1の蛍光強度比(D)と最大出力(Pmax)が得られる。
手順3)同一の太陽電池発電所の同一の太陽電池モジュールについて手順1と手順2を行ってから一定期間(例えば、蛍光強度比(D)が30~40%程度増加した後)経過後に再度、手順1と手順2を行う。これにより図中の劣化2の蛍光強度比(D)と最大出力(Pmax)が得られる。
手順4)手順1から手順3により蛍光強度比(D)と最大出力(Pmax)の点が2点得られ、経年劣化直線が得られる。同時に測定した太陽電池モジュールの初期の最大出力(Pmax)が図6(a)中の黒丸印の値として求めることができる。
手順5)手順4により得られた太陽電池モジュールの初期の最大出力Pmaxにより劣化1と劣化2の最大出力(Pmax)により、劣化1と劣化2の発電劣化率を算出することができる。
手順6)手順5により得られた劣化1と劣化2の状態の発電劣化率と劣化1と劣化2の稼働年数を図6(b)のようにプロットし寿命予測直線Aが得られる。
手順7)同一の太陽電池発電所の別の太陽電池モジュールは蛍光強度比(D)のみを測定し図6(a)の経年劣化直線により発電劣化率を求め、図6(b)の寿命予測直線Aにより稼働年数を求めることができる。尚、図6(b)中の破線で表示した寿命予測直線Bは、太陽電池モジュールの封止材が稼働後直ぐに劣化が始まる場合であり、例えば封止材としてウルトラファーストキュアタイプを使用した太陽電池モジュールの場合である。
上記の手順1から手順7により太陽電池モジュールの寿命となる発電劣化率になるまでの稼働年数を予測することができる。
PID劣化は、PID現象の発生に起因し、突然発電劣化率が大きく上昇する。高電圧が加わりナトリウムイオンが太陽電池セル上に堆積しセルの発電機能が失われる。経年劣化と異なり突然発生するものである。発明者らは、μ―PCD法により太陽電池モジュールにPID現象が発生したか否かの判断方法を見出し、更に寿命予測方法に結びつけた。
μ―PCD法の原理を図7により説明する。半導体に半導体が吸収できる光を与えると電子・正孔対が生成し、光がなくなるとそれまで生成していた少数キャリアは、ある時定数を持って減少する。この時定数をキャリア寿命値という。また、半導体中のキャリア濃度に対してマイクロ波の反射率は比例することが一般的に知られている。つまり、パルス光を半導体に当てると、光照射終了直後からキャリア濃度の減衰が始まり、それをマイクロ波の反射率として検知することで、その減衰挙動が計測できる。その減衰曲線から時定数を算出することで、キャリア寿命値が計測される。
PID現象の発生の有無をμ―PCD法で確認することの妥当性を、図8を用いて説明する。図8は、単結晶セルの太陽電池モジュールをPID試験(条件:アルミ板/85℃・85%RH・-1000V・1500時間)を行った結果を示したものである。図8(a)で黒色の部分は、PID試験におけるアルミ板の形状を示している。PID試験後に太陽電池セルを通電してEL画像を撮影した結果である。PID試験で太陽電池セルのアルミ板の部分のみにPID現象が発生したことを示している。アルミ板が接していない部分は、PID現象の影響を受けていないので半導体の機能(発電機能)が失われていないためにEL発光している。
PID現象は、突然発生するものである。PID現象が発生しても、ラマン分光法で太陽電池モジュールの蛍光強度比(D)が図4の点D(点D1・点D2)を超えた時点において発電所の出力が急激に低下した場合にそれがPID現象に起因するものなのか、太陽電池セルのインターコネクタの外れ等に起因するものなのかの判断が可能である。またPID現象は、突然発生するものであり、ラマン分光解析では、封止材の劣化が認められない場合(蛍光強度比(D)が図2の点Dの前の状態)もある。
11 ガラス
12、16 封止材
13 フィンガー
14 太陽電池セル
15 インターコネクタ
17 バックシート
Claims (2)
- 太陽電池モジュールに可動式ラマン分光器のラマンプローブを接近させてレーザ光を照射する工程(1)と、
前記工程(1)で照射したレーザ光により前記太陽電池モジュールの封止材のラマンスペクトルを獲得する工程(2)と、
前記工程(2)で獲得された前記太陽電池モジュール内の封止材のメチレン基のスペクトル強度を強度Aとし、波数が1800~2700cm-1の範囲をベースラインとしそのベースラインの範囲内で任意に選択した波数におけるカルボニル基(ケトン)の増加に起因するスペクトル強度を強度Bとしたとき、蛍光強度比(D)をD=B/A×100で定義し、前記蛍光強度比(D)に閾値を設け、その閾値を超えた場合に前記太陽電池モジュール内の封止材の劣化が始まり発電劣化が始まると判断する工程(3)と、
I-V測定器により日射照度が600W/m2以上において計測した前記太陽電池モジュールの最大出力を日射照射強度が1kW/m2の値に換算して、第1劣化後の前記太陽電池モジュールの最大出力(Pmax)を獲得する工程(4)と、
工程(3)で獲得された前記太陽電池モジュール封止材の蛍光強度比(D)と工程(4)で獲得された前記太陽電池モジュールの最大出力(Pmax)の関係を求める工程(5)と、
工程(5)から一定期間経過後に、第2劣化後の前記太陽電池モジュール封止材の蛍光強度比(D)と前記太陽電池モジュールの最大出力(Pmax)との関係を求める工程(6)と、
前記第1劣化後及び前記第2劣化後における前記蛍光強度比(D)と前記太陽電池モジュールの最大出力(Pmax)との関係から経年劣化直線を獲得する工程(8)と、
前記蛍光強度比(D)の閾値での最大出力(Pmax)から、前記第1劣化後及び前記第2劣化後における発電劣化率を得る工程(9)と、
前記第1劣化後及び前記第2劣化後における前記太陽電池モジュールの稼働年数と前記発電劣化率から寿命予測直線を得る工程(10)と、
別の太陽電池モジュールにおける蛍光強度比(D)と、前記経年劣化直線とから、前記別の太陽電池モジュールの発電劣化率を求める工程と、
前記別の太陽電池モジュールの前記発電劣化率と、前記寿命予測直線とから、前記別の太陽電池モジュールの稼働年数を求める工程と、
発電所の出力が急激に低下した場合に、μ-PCD法にて前記太陽電池モジュール内の太陽電池セルのキャリア寿命値(τm)と未暴露太陽電池モジュールのキャリア寿命値(τ0)との比の値(τm/τ0)をPID劣化指標として定義し、PID劣化指標が1/2以下であるとき、発電所の出力の急激な低下がPIDの発生に起因すると判断する工程(11)と
を含むことを特徴とする太陽電池モジュールの寿命予測方法。 - 前記蛍光強度比(D)の閾値は、前記太陽電池モジュールに使用される封止材の種類等により変更することを特徴とする請求項1に記載の太陽電池モジュールの寿命予測方法。
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JP2018027611A JP7088487B2 (ja) | 2018-02-20 | 2018-02-20 | 太陽電池モジュールの寿命予測方法 |
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