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Schneckenspuren: Ursachenanalyse und Testverfahren

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Eingestellt 11, Apr 2013 in Photovoltaik von Sylke Meyer (38 Punkte)
Schneckenspuren: Ursachenanalyse und Testverfahren?
   

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Beantwortet 11, Apr 2013 von Sylke Meyer (38 Punkte)

Seit einigen Jahren wird ein Verfärbungseffekt, sogenannte Schneckenspuren, auf kristallinen Siliziumsolarmodulen unter Außenbewitterung beobachtet. Die betroffenen Module fallen durch lokale bräunliche Verfärbungen auf den Silberkontaktfingern auf. Dies führt zu Reklamationen bei Photovoltaikanlagenbetreibern, Investoren und Privatbesitzern von Solarmodulen.

Es ist bisher bekannt, dass Schneckenspuren am Zellrand auftreten können und/oder entlang von Mikrorissen über die Zelle verlaufen   Die Bildungsbedingungen von Schneckenspuren sind durch bestimmte Materialkombinationen und den Herstellungsprozess induziert. In Fachkreisen wurden bereits kritische Faktoren identifiziert, dazu gehören Rückseitenfolien aufgrund ihrer Feuchtigkeitsdurchlässigkeit, EVA Folien und Silberpasten bezüglich ihrer unterschiedlichen chemischen Zusammensetzung. Am Fraunhofer CSP wurden Untersuchungen an reklamierten Modulen aus Freifeldinstallationen sowie an Prüfkörpern unter beschleunigter Alterung im Labor durchgeführt. Es wurde ein experimentelles Konzept entwickelt, welches mikrostrukturelle Untersuchungen (Lichtmikroskopie, TEM/EDX, FIB), chemische Analysen (ToF-SIMS, ICP-MS, FTIR) und Polymeranalysen (DSC, TGA) an den
betroffenen Modulen und Prüfkörpern mit verschiedenen Materialzusammensetzungen kombiniert.

Ergebnisse
Untersuchungen an Modulen aus Freifeldinstallationen Module mit auffälligen Schneckenspuren wurden nach optischer Inspektion und Dokumentation an den verfärbten Stellen demontiert und delaminiert, so dass die Oberseite der Zellen und Innenseite der Einkapselungsfolie für weitere Untersuchungen zugänglich war. Wie in Abb. 2 dargestellt, befinden sich die Verfärbungen sehr deutlich an der Unterseite der Folie an der Position der Ag- Kontaktfinger. Weitere chemische und mikrostrukturelle Untersuchungen an den oben gezeigten präparierten Proben sind in Abb 3 und 4 dargestellt. REM-Aufnahmen von Querschnitten von freigelegten Ag-Kontakten zeigen im Vergleich zu nicht verfärbten Kontakten zwei Veränderungen:
Erstens beobachtet man innerhalb des Metalls eine größere Porosität und zweitens findet sich auf der Oberfläche der verfärbten Ag- Finger ein Film aus organischem Material, der sich auf den Referenzproben nicht zeigt. Die abgelöste EVA-Folie wurde nach FIB-Präparation einer Lamelle mittels TEM untersucht (Abb 4). Auffällig ist eine starke Anreicherung von Partikelclustern mit einer Dichte von ca. 2-4 pro µm² im Bereich der Verfärbung, während sich solche Cluster in unverfärbten Bereichen kaum noch finden. An den beobachteten Partikeln wurden mittels EDX-Spektroskopie und ToF-SIMS weitere Analysen zur Aufklärung der chemischen Zusammensetzung durchgeführt. Es zeigte sich, dass die Partikel hohe Konzentrationen an Ag, P und S enthalten. Die Konzentration an Kohlenstoff (Polymer) ist an der Position der Partikel entsprechend erniedrigt ist.

Schlussfolgerungen
Basierend auf den oben gezeigten Ergebnissen schlagen wir folgendes Modell zur Entstehung von Schneckenspuren vor: Durch die Rückseitenfolie eindringende Feuchtigkeit kann am Zellrand oder an Mikrorissen an die Zelloberfläche gelangen. Unter Einfluss des elektrischen Feldes, Temperatur und möglicherweise UV- Einstrahlung finden an der Grenzfläche zwischen Ag-Kontakt und Einkapselungsfolie Korrosionsvorgänge statt, die zur Migration von silberhaltigen Partikeln in die Folie führen. Ähnliche Mechanismen für Migrationsphänomene von ionisiertem Silber sind in der Literatur beschrieben [5].
Wichtige Faktoren für diesen Prozess stellen zum einen der Temperaturbereich unter Solarmodularbeitsbedingungen dar, sowie auftretende Spannungsgradienten und der Einfluss von Feuchtigkeit [6].  Systematische chemische Untersuchungen an verschiedenen Einkapselungsmaterialien und Rückseitenfolien müssen klären, welche chemischen oder Materialeigenschaften den beobachteten Korrosionsprozess begünstigen. Basierend darauf kann ein optimierter Modulaufbau zur Vermeidung von Schneckenspuren entwickelt werden. PDF des gesamten Artikels mit Abbildungen ansehen

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