MODULI FOTOVOLTAICI: DIAGRAMMA EMPIRICO DELLA DURATA IN FUNZIONE DELLA VARIAZIONE DELLA. TEMPERATURA NEL CICLO GIORNO-NOTTE Pier Enrico ZANI

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1 MODULI FOTOVOLTAICI: DIAGRAMMA EMPIRICO DELLA DURATA IN FUNZIONE DELLA VARIAZIONE DELLA TEMPERATURA NEL CICLO GIORNO-NOTTE Pier Enrico ZANI FERRANIASOLIS srl Premessa I moduli fotovoltaici sono soggetti a molti e pesanti stress dovuti all esposizione nell ambiente esterno per decine di anni: una valutazione della vita operativa o del degrado di efficienza di conversione è di notevole importanza economica, sia dal punto di vista finanziario, sia dal punto di vista energetico. La vita di un impianto fotovoltaico, infatti, è praticamente un moltiplicatore energetico. E ben noto (rif. 13) che, allo stato attuale delle tecnologie impiegate, il ritorno energetico (energy payback) delle celle al silicio e dei film sottili è circa 2,5 3,5 anni per le prime e 1,5-2 per i secondi (naturalmente in funzione della latitudine d uso). In parole semplici, l energia impiegata nella costruzione degli impianti fotovoltaici con S-C viene resa dopo 3 anni in media e quindi una vita operativa di 30 anni moltiplica per 9 volte quanto usato. I fattori che influenzano la vita operativa di un impianto fotovoltaico sono molteplici ed in massima parte legati alla fatica termica derivante dal ciclo giorno notte. Altri fattori, quali l umidità ambientale, la sporcizia delle superfici o fenomeni non ricorrenti, quali fulminazioni, grandine e mal progettazione impiantistica, possono portare ad un lento decremento dell efficienza di conversione fino alla completa non funzionalità. Lo scopo di questo studio è costruire una curva sperimentale che permetta di valutare l affidabilità nel tempo dei moduli con celle al silicio mono policristallino sottoposti al ciclo giorno-notte. in un impianto reale Introduzione In un impianto in servizio reale il fenomeno più incisivo è quello legato alla fatica termica, indotta dal continuo riscaldamento e raffreddamento che i moduli debbono affrontare e quindi delle continue sollecitazioni meccaniche derivanti dai differenti valori dei coefficienti di dilatazione termica dei materiali che compongono la struttura di un modulo ed i più decisivi sono: 1) dilatazione differenziale tra silicio e connessione di rame sulla sua superficie: è molto importante per la resa elettrica finale 2) dilatazione differenziale tra vetro frontale ed incapsulante: importante per evitare l ingresso di umidità nel modulo La fondamentale differenza tra i due fenomeni è che il primo porta ad un degrado tendente sempre a crescere o stabilizzarsi, ma mai a decrescere, mentre il secondo può essere stabile, visto che durante il giorno il calore solare può far evaporare l eventuale umidità introdotta (naturalmente se non vi sono difetti macroscopici di produzione). Studieremo l andamento del degrado elettrico (%) considerando come fondamentale la fatica termica dei contatti superficiali e ci ispireremo all esperienza proveniente da altre applicazioni di elettronica di potenza, in particolare dal campo dei semiconduttori di grande potenza, usati ove le aree dei contatti e le dimensioni dei semiconduttori sono comparabili alle celle fotovoltaiche.

2 La curva dell affidabilita La curva dell affidabilità nei semiconduttori segue l andamento comune a tutti i componenti elettronici e soprattutto è legata alla fatica termica derivante dai cicli di temperatura sopportati durante le applicazioni (art 1-2). Si possono individuare tre periodi abbastanza ben definiti: periodo della mortalità infantile, dovuta alle debolezze di fabbricazione dei componenti: il tasso di rotture diminuisce nel tempo e varia da poche ore a pochi giorni, per poi stabilizzarsi o scomparire periodo di vita utile, in cui le rotture sono dovute sostanzialmente a sollecitazioni derivanti dall applicazione reale ed al conseguente ciclo termico dovuto alla variazione della temperatura tra il wafer di silicio e l ambiente esterno: il numero di rotture è stabile nel tempo periodo finale, in cui i componenti degradano in numero sempre maggiore, avendo raggiunto un limite sopportabile di cicli oltre il quale è la morte certa La fatica termica dei moduli fotovoltaici Le dilatazioni termiche dovute al ciclo giorno-notte a cui sono esposti i moduli negli impianti hanno i seguenti effetti: rotture di eventuali microcricche nel silicio rotture nelle saldature dei contatti elettrici sulle celle (fronte e retro) ottenute con nastri di rame ricotto e prestagnati cricche prodotte dall incapsulante (EVA) Il fenomeno di gran lunga più importante è quello legato alla saldatura delle celle, poiché il coefficiente di dilatazione del nastro di rame è un ordine di grandezza maggiore di quello del silicio e quindi tra la temperatura di saldatura e quella di servizio un forte stress di compressione viene trasferito al silicio. Durante i vari cicli termici giorno-notte (mediamente 60 C 0 C) le saldature possono degradare e ridurre le caratteristiche elettriche delle celle. La curva sperimentale che lega il degrado delle caratteristiche elettriche nei componenti a semiconduttore è nota (rif 1,2,3,4,5) e deriva dall esperienza nel campo dei semiconduttori di potenza, ove i problemi della fatica termica dovuta a pesanti cicli di temperature sono noti e prevedibili probabilisticamente. Il caso dei moduli fotovoltaici al silicio è molto simile a quello dei componenti di grande potenza usati nell industria della trazione elettrica (IGBT, diodi ed SCR) e possiamo costruire analogamente la curva della fatica termica nel seguente modo: Il grafico usato è in scala log-log con (Tgiorno Tnotte) in ordinate e n = numero di cicli termici in ascisse: la curva attesa è una retta.

3 Punti noti n=1 è il punto di nascita della saldatura e cioè il delta tra la temperatura di fusione del piombo-stagno (235 C circa) e la temperatura ambiente (20 C). n=200 cicli è il punto standard per le certificazioni IEC e di solito produce un degrado dell efficienza pari ad 1,0 2,0% a fronte di un delta temperatura di 125 C (cioè tra -40 C e +85 C). n= cicli questo punto deriva dall esperienza ENEA e riguarda le misure fatte su moduli ancora funzionanti dopo circa 30 anni con degrado annuo di circa 0,35% (rif 6).il delta temperatura giorno notte puo essere valutato in via pratica di circa 55-60C la retta va costruita tra il primo punto ( N= 1 )ed il terzo ( N= circa 30 anni) e come si vede subito il punto dovuto alla certificazione IEC e un po sopra la curva denotando cosi il fatto di essere piu pesante rispetto all esposizione sul campo e di incorporare quindi un certo acceleramento della fatica termica. Commenti ed alcune applicazioni moduli piani standard: ricordando sempre che le curve tracciate sono empiriche e di tipo probabilistico, la retta costruita come in fig.1 può essere letta così: un delta giorno-notte di 60 C determina, per le contattature sul silicio, un degrado probabile del % dopo cicli (giorni), corrispondenti a anni moduli standard in un sistema di concentrazione a specchi piani: un delta giorno-notte di 90 C è normale, per cui la curva di fig. 1 predice un numero di cicli pari a 1000, cioè 3 anni, oltre i quali un degrado certo è atteso impianti a concentrazione soli La vita attesa delle celle fotovoltaiche usate in questi sistemi è simile a quella prevista per gli IGBT di potenza usati nei sistemi di trazione (rif.2, 3, 4, 5), infatti sotto la luce solare concentrata per controllare la temperatura del chip (silicio o multi-giunzione) occorrono sistemi di raffreddamento attivi (acqua) o passivi (in aria) e sistemi di brasatura del tutto simili a quelli usati negli IGBT di potenza. Dalle varie referenze, si ottiene che la vita utile di questo tipo di tecnologie in funzione del ciclo termico non supera di molto i cicli, cioè anni. inverter solari Le stesse valutazioni si possono fare anche per gli inverter usati nei sistemi fotovoltaici, infatti la parte di potenza (IGBT) è soggetta agli stessi cicli giorno-notte dei moduli, con conseguente fine vita attorno ai anni, oltre i quali è bene applicare una buona manutenzione preventiva.

4 Conclusioni La curva empirica ottenuta estendendo l esperienza derivata dal campo dei semiconduttori a larga area applicati nell elettronica di potenza confrontata con dati provenienti dal campo effettivo, sembra confermare sia la possibilità di garantire la vita utile dei moduli fotovoltaici per oltre anni di servizio, sia che i cicli previsti nella norma internazionale (200 cicli -40 C +85 C) fornisce una buona prova di qualifica. Naturalmente, in questa nota non si sono curati molti altri problemi di affidabilità legati agli incapsulanti, ai montaggi ed alla pulizia superficiale dei moduli

5 Referenze 1) Istvan L. Somos and Dante E. Piccone: Power semiconductors empirical diagram expressing life as a function of temperature excursion. IEEE Transaction on Magnetic, NO 1,January ) Zani P.E., F. Bifulco, F. Fasce, M. Pasqualetti, M. Portesine: High power semiconductor reliability evaluation based on traction vehicle analysis, 5th ESREF European Symposium on Reliability of Electron Devices Failure Physics and Analysis, Glasgow (UK), ) Fratelli, W. Nerozzi, M. Zavarella, A. Camera, M. Pasqualetti, M. Portesine, P. E. Zani, Reliability of advanced high power semiconductor used in railway traction: the European Project RAPSDRA, WCCR 97 - World Congress on Railway Research, Firenze, ) P. E. Zani, F. Fasce, M. Portesine, P. Pampili, Componenti elettronici di alta potenza ed alta affidabilità per sistemi di trasporto: stato dell arte February Convegno AEI Elettronica di potenza nei sistemi di trasporto: Bologna, Marzo ) COMRADE (Compressed Reliability Determination) EUROPEAN PROJECT ) HIMRATE: EUROPEAN PROJECT ( High temperature IGBT and MOSFET modules for railway traction and automotive application) (SIEMENS R&D, FIAT, ANSALDO, ET ALL). 6) D.Coiante I moduli fotovoltaici durano a lungo dicembre 2010 :ASPO ITALIA 7) D. Coiante, 2008, Fotovoltaico: il processo evolutivo e le nuove frontiere, Edizioni ENEA, Dicembre 2008, ISBN ) D. Coiante, 1984, L area sperimentale dell ENEA per la prova e la qualificazione di componenti e sistemi fotovoltaici, Notiziario ENEA N.11/12 Novembre/Dicembre 1984, pp ). D. Coiante, S. Castello, 1991, PV Module Performances After Ten Years of Continuous Outdoor Operations, Proceedings of the Biennal Congress of the International Solar Energy Society, Denver, Colorado USA August 1991, ). F. De Lia, S. Castello, L. Abenante, 2003, Efficiency Degradation of C-Silicon Photovoltaic Modules after 22- Year Continuous Field Exposure, 3th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, May , Osaka, Japan 11). L. Abenante, F. De Lia, S. Castello, 2010, Long-term Performance Degradation of C-Si Photovoltaic Modules and Strings,25th European Photovoltaic Solar Energy Conference and Exhibition, 6-10 September 2010, Valencia, Spain 12). Wenger H. J., Shaefer J., Rosenthal A., Hammond B., Shlueter L., 1991, Decline of the Carrisa Plains PV Power Plant: the Impact of Concentrating Sunligth on Flat Plates, Proc. 22th IEEE PVSC, pp ) K.E.Knapp, T.L.Jester An empirical perspective on the energy payback for photovoltaic modules Solar 2000 Conference, Madison, Wisconsin USA