Infraroodopname van een MWT-testpaneel na 1000 uur vocht- en hitte in de klimaatkamer. De witte plekken
(ca. 40 °C) duiden op lokale verhitting door hoge stroomsterktes in bepaalde contacten. De koelste plekken (groen) zijn ca. 25 °C (Illustraties ECN).

De door ECN ontwikkelde zonnepanelen met achterzijdecontacten zijn in veel opzichten beter dan de ‘klassieke’ zonnepanelen. Daarover is iedereen het wel eens. Maar zijn deze panelen ook nog goed na 20 jaar stroom leveren in de harde werkelijkheid van de vochtige tropenhitte of extreme temperaturen van de woestijn? Wilma Eerenstein van ECN Zonne-energie stopte acht panelen in de klimaatkamer. “Ze zaten er veel langer in dan de IEC-norm voorschrijft. We wilden vaststellen hoe robuust de panelen echt zijn, en zeker weten dat mogelijke faalmechanismen zouden komen bovendrijven.”

De zonnepanelen die nu worden verkocht, zijn gebaseerd op technologie van 30 jaar geleden. Hierin worden zonnecellen aan elkaar gekoppeld oor middel van soldeerverbindingen. De bij solderen horende hoge temperatuur leidt vaak tot schade aan cellen. Dat kan weliswaar handmatig worden gerepareerd, maar dat drijft de verkoopprijs op. Eerenstein: “Panelen gebouwd volgens ons nieuwe concept (MWT-cellen) kennen bovenstaand probleem niet. Maar wij gebruiken bij de MWT-technologie een bijzondere, nieuwe soort folie plus een stroomgeleidende lijm. Hoe betrouwbaar zijn die als ze zijn samengebouwd volgens een bepaalde fabricagetechniek? Dat wil elke potentiële fabrikant van deze zonnepanelen weten.”
De soldeervrije panelen volgens ECN-technologie hebben het tij mee. Er is een Europese afspraak (ROHS) om het giftige metaal lood uit producten te bannen. De huidige zonnepanelen bevatten wel lood vanwege het solderen, maar de fabrikanten hebben hiervoor vrijstelling gekregen omdat er nog geen betrouwbaar alternatief beschikbaar was. “De verwachting is dat dit gedogen door de ROHS over circa twee jaar vervalt. Dan moeten zonnepanelen loodvrij zijn. MWT-panelen zijn loodvrij, maar ze moeten natuurlijk ook betrouwbaar zijn”, legt Eerenstein uit.

Twintig jaar in de woestijn
De klimaatkamer ziet eruit als de broodoven van een bakker. Manshoog en met dubbele wanden om vlot van klimaat te kunnen wisselen. Vooraf wordt het elektrisch vermogen van een te testen paneel vastgesteld. Dan volgt volgens IEC-norm de test in de klimaatkamer waarna opnieuw het vermogen van het paneel wordt bepaald. Als na de test het vermogen niet meer dan 5% is gezakt ten opzichte van het vermogen vooraf, heeft het paneel een sticker met ‘passed’ gescoord.
Die IEC-norm schrijft voor dat tijdens de warmtetest de temperatuur 200x op en neer gaat tussen -40 en
+85 °C, terwijl er boven de 25 °C ook een elektrische stroom loopt. Elke cyclus duurt zes uur (totale test ruim 6 weken) en komt overeen met 20 jaar in de woestijn. Bij de vocht- en hittetest is het paneel gedurende 1000 uur continu blootgesteld aan een relatieve vochtigheid van 85% en een temperatuur van 85 °C. Eerenstein: “We waren zo nieuwsgierig naar faalmechanismen dat we deze norm flink hebben overschreden. De temperatuurwisseling is uitgebreid naar 300 keer. De vocht- en hittetest hebben we verdubbeld tot 2000 uur. Daarna zijn we ze grondig gaan onderzoeken.”

Andere test- en analysemethodes
De test van de MWT-panelen is niet alleen een beproeving van toegepaste materialen. ECN gebruikt deze test ook om geheel andere test- en analysemethodes te onderzoeken. Niet als vervanging van de IEC-norm, maar om het ECN-onderzoek te bespoedigen. “Het concept van de MWT-cellen heeft zich inmiddels ondubbelzinnig bewezen. We hebben sterke vermoedens dat we nog successen kunnen boeken door op zoek te gaan naar de beste materialen. Die willen we natuurlijk ook testen op betrouwbaarheid, maar we hebben haast en willen geen 1000 uur wachten. Vaak moeten panelen ook opengemaakt worden om te kijken wat er aan de hand is, dan moet je ze dus stuk maken en kun je ze niet verder testen. Daarom hebben we twee alternatieve manieren van niet-destructief onderzoek op het oog om zwakke plekken in de panelen bloot te leggen.”
Deze speurtocht naar een veel snellere testmethode doet ECN niet alleen. In het kader van het Pieken in de Delta project ‘geZONd’ probeert ECN samen met Solland, Philips, Holst-centrum, OM&T en Holland Innovative gezamenlijk deze versnelde testprocedures van de grond te krijgen. Als dat is gelukt, zal deze methode een plek krijgen in ECN’s vestiging in Eindhoven. Het is de bedoeling dat het materiaalonderzoek plus testmethode in ECN Eindhoven geconcentreerd zullen worden.

Infrarood en luminescentie
Het onderzoek naar de faalmechanismen is vooralsnog een grote puzzel, vindt Eerenstein. “We zijn uitgegaan van bestaande kennis over de zwakke plekken. Dat zijn bijvoorbeeld de stroomgeleidende lijmverbindingen tussen de cellen en de folie aan de achterzijde van een paneel. Per cel zijn er
31 verbindingen, een standaard paneel bevat 6 x 10 = 60 cellen. Als één verbinding elektrisch faalt, gaan de omliggende contacten dat opvangen. Die krijgen dan een hogere stroom te verwerken waardoor hun temperatuur hoger is dan van de overige verbindingen. In het geZONd-project heeft ECN een methode ontwikkeld om deze temperatuurverschillen met een infraroodcamera zichtbaar te maken.”

Dwarsdoorsnede van een MWT-zonnepaneel. Op de plaats(en) waar veel verschillende materialen samenkomen is er een kans op falen van het contact (Illustratie ECN).

Een andere, aanvullende analysetechniek om matige verbindingen op te sporen is elektroluminescentie (EL). Deze methode laat zien welke delen van de zonnecel actief zijn en welke delen zijn uitgevallen, bijvoorbeeld door slechte contacten. “Een paneel dat we vooraf hebben geanalyseerd met elektroluminescentie, laat enkele zwakke plekken zien. Na de zware martelgang in de klimaatkamer hebben we het paneel opnieuw met elektroluminescentie geanalyseerd. Dan blijkt dat de zwakke plekken niet verder verzwakt zijn. Dat toont aan hoe robuust MWT-panelen zijn. Maar ik word vooral blij van het feit dat de EL-analyse in een paar minuten laat zien waar de zwakke plekken zitten zonder dat we de panelen hoeven open te snijden.”

Elektrocutie
Behalve de twee reeds besproken tests van de IEC-norm is er nog een derde: de lekstroomtest: Gedurende 2 minuten is een paneel ondergedompeld in water terwijl er minimaal 500 V op de elektroden staat. Deze analyse moet als laatste plaatsvinden en na afloop mag de specifieke ohmse weerstand van een paneel niet lager zijn dan 40 MOhm/m². Alle panelen die de verzwaarde klimaatkamertesten hadden doorstaan, bleken de opgeschroefde lekstroomtest (1000 V op de elektrodes i.p.v. 500 V) ook nog ruimschoots te halen (180 respectievelijk 320 MΩ/m²). Waarmee de robuustheid van MWT-panelen boven elke twijfel verheven lijkt te zijn.

Contact
Wilma Eerenstein
ECN Zonne-energie / PV Module technology
Tel.: 022 456 44 35
E-mail: Wilma Eerenstein  

Info
Climate chamber test results of MWT back contact modules 

Dit ECN-Nieuwsbrief-artikel mag zonder toestemming worden gebruikt voor publicatie, mits verwezen wordt naar de bron: www.ecn.nl/nl/nieuws/newsletter-nl/