PV40+ PV module with an enhanced lifetime of more than 40 years and reduced environmental impact

Das Gesamtziel des Projekts ist die Verbesserung der Lebensdauer eines PV-Moduls von 25 auf 40 Jahre. Das Hauptziel des Projekts ist die Entwicklung und Validierung einer PV-Modul-Architektur mit mindestens 40 Jahren Betriebslebensdauer. Im Rahmen des Projekts wird nicht nur kristallines Silizium, sondern auch die CIGS-Zelltechnologie berücksichtigt. Das Hauptziel soll mit Hilfe einer Doppelglasarchitektur und der Verwendung eines fortschrittlichen Verkapselungsmittels auf Polyolefinbasis erreicht werden. Der Hauptvorteil von Polyolefin-Verkapselungen wird die fehlende Bildung von Essigsäure im Betrieb sein, wodurch bestimmte Degradationsarten wie Vergilbung, Korrosion oder Potential Induced Degradation (PID) verhindert oder verlangsamt werden.
Der kritischste Faktor, den es zu berücksichtigen gilt, ist jedoch, dass die verbesserte Performance des Einkapselungsmaterials ohne signifikante Kostensteigerung erreicht werden muss, um unter Berücksichtigung der verbesserten Lebensdauer eine Gesamtkostenreduzierung des Systems zu ermöglichen. Ein weiterer Schwerpunkt ist die Entwicklung von beschleunigten Zuverlässigkeitsprüfverfahren, die sich auf diese verbesserte Lebensdauer beziehen und Modellierungsansätze zur Erkennung und Vorhersage von Ausfällen und Degradationsarten nutzen.
Das transnationale Konsortium umfasst die gesamte Wertschöpfungskette der Photovoltaik, von der PV-Modultechnologie über die Polymertechnologie und Degradationsmodellierung bis hin zur Modulprüfung. Die Erhöhung der Lebensdauer eines PV-Moduls auf 40 Jahre ist der Schlüsselfaktor zur Senkung der LCOE für ein PV-System. Einer vereinfachten Metrik folgend bedeutet dies, dass der modulbezogene Anteil an den LCOE um 37 % im Vergleich zu einem Modul mit 25 Jahren Lebensdauer sinkt. Als zusätzlicher Umweltvorteil spart die Verlängerung der Lebensdauer eines PV-Moduls von 25 auf 40 Jahre etwa 130 GW/Jahr an neuen Modulen, die nicht produziert werden müssen, und 7 Millionen Tonnen/Jahr an PV-Panel-Abfall, der nicht recycelt werden muss.

Ausgangssituation

Kommerzielle PV-Module werden mit einer Leistungsgarantie von 25 bis 30 Jahren verkauft, die bei 80% der Nennleistung gemäß den Datenblattwerten endet. Die vorgeschlagene Arbeit soll den Nachweis einer neuartigen Verkapselung erbringen, die eine Betriebszeit von 40 Jahren und mehr für ein PV-Modul im Vergleich zu anderen kommerziell erhältlichen Verkapselungsprodukten ermöglicht.
Ein deutliches Verbesserungspotenzial für die Qualität, aber auch für die Langzeitstabilität liegt in den Verkapselungsfolien, da deren Eigenschaften direkt mit der Moduleffizienz, aber auch mit den häufigsten Ausfallarten zusammenhängen. Das am häufigsten in PV-Modulen verwendete Verkapselungsmaterial ist Ethylenvinylacetat (EVA). Es wird davon abgeraten, EVA in Doppelglasmodulen zu verwenden, insbesondere für CIGS-Zellen. Ein großes Problem ist die Bildung von Essigsäure während der Lebensdauer unter Standardbetriebsbedingungen. Essigsäure führt zur Korrosion des transparenten leitfähigen Frontoxids bei CIGS und des Silberfingergitters bei c-Si-Zellen und damit zu einer Verringerung des Modulwirkungsgrades. Durch den doppelten Glasaufbau wird die Essigsäure innerhalb des Moduls zurückgehalten, was die Oxidationsreaktion von EVA beschleunigt, was zu einer kontinuierlichen Bildung von Essigsäure führt. Die Verwendung von Polyolefin-basierten Verkapselungsmaterialien der nächsten Generation sollte diese Probleme überwinden, vor allem durch die Verhinderung der Essigsäurebildung.
Aus der Notwendigkeit heraus werden in diesem Projekt auch neue Testzyklen zur Simulation von 40 Jahren Betrieb implementiert, zusammen mit Modellierungsansätzen wie Network Structural Equation Modeling (netSEM) zur Vorhersage von Degradationsmodi und Modulausfällen. Der netSEM-Ansatz untersucht die statistischen Beziehungen zwischen den angewendeten Stressoren, den mechanistischen Reaktionen auf Systemebene und den Reaktionsvariablen auf Leistungsebene, um Degradationsmechanismen und die zur Degradation beitragenden Faktoren zu bestimmen.