太陽光発電モジュールの分析技術

複数の異なる太陽光発電モジュール分析技術が利用可能であり、太陽光発電(PV)モジュールの検査、発生している劣化の検出、およびセル特性の 分析に必要です。

PVモジュールの製造中および運用中の分析は、PV技術の信頼性、ひいてはエネルギー効率を確保する上で重要な部分です。したがって、太陽電池モジュールの品質保証にとって非常に重要です。^[1]

PVモジュールは、その寿命の間に、天候や動作条件の激しい変化にさらされ、大きな温度変化（昼夜、夏冬、放射照度）や機械的ストレス（風、雪、雹）を引き起こします。これにより、通常の経年劣化に比べて劣化が進み、劣化モード（DM）が発生し、寿命や発電量に（マイナスの）影響を与える可能性があります。PVモジュールやPVシステムへのDMの影響を予測するには、 DMの検出と進化の研究が必要です。いくつかの異なる分析手法が利用可能であり、それぞれが異なるDMと特性を視覚化して分析するため、具体的な説明が可能です。^[1]

スネイルトラックやガラスの破損などの一部のDMは肉眼で確認できます。セルの亀裂やセル内の電流の不一致などの他のDMは、発光技術で視覚化でき、ホットスポットは赤外線サーモグラフィーで検出できます。この記事では、現場でのPVモジュールの運用と保守（O&M）に使用される一般的な分析技術の概要を説明します。^[2]

目視検査は最も安価で迅速な方法であるため、常に第一選択です。目視検査はPVプラントの検査ごとに行うことができますが、特定の手順に従ってより詳細に行うこともできます。目視検査は主観的なものであるため、比較可能性を確保するために評価フォームが開発されています。^[3]

目視検査で確認できる欠陥としては、ガラスの破損、電気化学的腐食、焼け跡（前面または背面のガラス）、前面ガラスまたは背面ガラスの剥離、褐色化（大気中の酸素や加熱によるもの）、カタツムリの跡、汚れなどが挙げられます。^[2]

PVモジュールの電流電圧曲線（IV曲線）は、モジュールの電流と電圧の関係に関する情報を提供し、したがってモジュールの品質と太陽電池の効率に関する情報を提供します。これは、標準試験条件（STC）下での研究室でのIV曲線測定と、屋外での測定とを区別することができます。^[1]

標準試験条件（STC：1000 W/m ²、25 °C、空気質量（AM）1.5放射）での測定は、PVモジュールの仕様と品質を示し、同じ条件下で測定された他のモジュールと比較することができます。STCを保証するには、実験室条件と特定の機器が必要です。ソーラーシミュレータとテストベンチが必要です。モジュール（またはセル）をテストベンチに取り付け、1秒未満の間照射します（いわゆる「フラッシュ」）。フラッシュ中、モジュールの電圧は定義された範囲に沿ってスイープされ、結果として生じる電流が測定され、IV曲線が得られます。通常、実験室のIV測定では約3％の精度が期待できます。^[2]

現場でIV曲線を収集する場合、放射照度と温度は制御できないことに注意する必要があります。したがって、得られたIV曲線をさまざまな条件で取得されたものと比較するには、測定された放射照度とセル温度の補正係数を使用してSTCに適合させる必要があります。較正されたソーラーデバイスを使用して現在の太陽光放射照度を測定し、温度センサー（Pt100など）を使用して調査中のモジュールのセル温度を測定します。単一のモジュールのIV曲線を測定するには、IV曲線トレーサーと呼ばれるポータブルデバイスが利用できます。^[4]最新のインバータまたは最大電力点トラッカー（MPPT）は、接続されたストリング（複数のPVモジュールの直列回路）のIV曲線を測定できます。^[5]

動作中の PV モジュールでは、開回路と短絡が極端な条件です。開回路では、電圧が最大 (開回路電圧 V _OC ) で、電流はゼロです。一方、短絡では、電流が最大 (短絡電流、I _SC ) で、電圧はゼロです。電力は電流と電圧の積で与えられ、最大電力点(MPP) で最大になります。PV モジュールの品質を定義する 1 つのパラメーターは、フィルファクター(FF) です。これは、モジュールの最大電力 (P _{MPP ) と仮想電力 (} P _T、V _OCとI _{SCの積) の比率です。これらすべての値は、測定された IV 曲線から抽出できます。さらに、IV 曲線から、PV モジュールの}シャント抵抗( R _SH ) と直列抵抗(R _S )を判断できます。直列抵抗は、すべての材料とその遷移の合成抵抗であり、生成された電流が負荷に到達するために克服する必要があります。R _Sが増加すると、V _OCに近いIV曲線の傾きが小さくなります。シャント抵抗は、太陽電池のp-n接合の分離強度を表します。シャント抵抗が減少すると、I _SCに近いIV曲線の傾きが大きくなります。^[2] モジュールのセル間の電気的不整合により、IV曲線が階段状になります。部分的な日陰でも同様の現象が発生しますが、これも不整合を引き起こします。^[6]

一部の DM はモジュールのセル間または単一セルの一部に電位差を生じさせ、通常は温度上昇、いわゆるホットスポットを引き起こします。赤外線(IR)カメラを使用すると、高空間解像度でモジュール温度の画像を撮影できます。これはサーモグラフィーと呼ばれます。サーモグラフィーでは 3 つの異なる測定方法が可能です。最初の方法は定常状態サーモグラフィーと呼ばれ、現場で行うことができます。実験室条件では、パルス サーモグラフィーとロックイン サーモグラフィーを実行でき、PV モジュールのより詳細なビューを提供できます。^[1]

定常サーモグラフィーは、PVモジュールが正常に動作し、定常状態で作動しているときに実行されます。これは、モジュールレベルで実行することも、複数のモジュールの概要画像として実行することも、無人航空機（ドローン）を使用して巨大なPVプラントセクションで実行することもできます。^[7]雲のない日、最低700 W/m ²の放射照度、低い周囲温度、低風速が測定条件として適しています。赤外線放射照度は距離とともに低下するため、画像はモジュール面に対して最低60°、最適には90°の角度で撮影する必要があります。同時に、モジュールへの影（雲、建物、オペレーター、カメラなどによるもの）を防ぐ必要があります。対流による熱伝達のため、モジュール内で3〜5 Kの変動は正常です。一方、ホットスポットは、数十Kの大きな局所的な温度差です。ホットスポットは、破損したセルではセルの一部のみ、ミスマッチではセル全体、通常はモジュールフレームに近い複数のセルに影響する可能性があります。^[2]

紫外線 蛍光（UVF）は、さまざまな研究分野で共通の原理です。物質を紫外線（UV）にさらすと、物質内の発光団（より具体的には蛍光団）の電子がより高いエネルギー状態に励起され、放射再結合によって物質固有の波長の光子が放出されます。これらの光子は肉眼で見ることができ、カメラで撮影したり、UV/VIS分光計で分析したりできます。励起源と放出された信号を区別するために、帯域幅制限源（UV領域の発光ダイオード）とロングパスフィルターを使用できます。^[8]

発光体は元々PVモジュール内には存在しません。動作中に紫外線に長時間さらされると（80 kWh/m ²以降、動作で約1年に相当する^{[2] ）、モジュールのカプセル（通常は}エチレン酢酸ビニル、EVA）内の分子の分解生成物として生成されます。したがって、UVFはPVモジュール内のEVAの状態を分析するのに役立ちますが、一定時間が経過した後でのみ有効です。モジュールの他の材料（ガラス、セル、バックシート）内のDMは、UV蛍光では直接見えませんが、EVAの変化を引き起こし、目に見えるようになります。分解プロセスに酸素が含まれる場合、酸化が起こり、非蛍光分解生成物が生成されます。酸素はバックシートからモジュール内およびカプセル内に侵入できますが、セル間およびセルの亀裂からのみ、スリットから前面のカプセル内に浸透し、そこで反応が目に見えるようになります。そのため、細胞の周りのフレームと細胞の亀裂に沿った軌跡は、蛍光信号が欠落しているためUVF画像で見えるようになります。^[8]

カメラによる UVF イメージングでは発光強度、つまり蛍光体の密度に関する情報が得られますが、UVF 分光法ではモジュールの正確な位置で放出されたスペクトルを測定することで、存在する蛍光体の種類を分析します。したがって、たとえばセルの温度履歴に関する情報が得られます。温度が高いと測定スペクトルにピークが追加されるためです。^[8] 測定された UVF 信号は、モジュール上の位置、モジュールの動作時間、モジュールの実際の温度と温度履歴、熱、湿度、紫外線の照射量など、さまざまな要因によって影響を受ける可能性があります。^[7]

発光画像では、PVモジュール太陽電池のダイオード内のキャリアが励起され、放射再結合により発光が放射されます。放出される光子の波長は、セル材料のバンドギャップエネルギーによって決まります。これは、シリコンの場合1140 nmの短波赤外線（SWIR）領域の光子です。^[9]発光信号は太陽電池材料によって生成されるため、セル材料の状態に関する洞察が得られ、セルの亀裂、PIDなどのDMの検出、および直列抵抗などの材料特性に関するステートメントが可能になります。信号は、SWIR領域に感度のあるセンサーを備えたカメラで収集できます。太陽電池の励起には、一般的に2つの異なるアプローチが使用されます。エレクトロルミネセンスとフォトルミネセンスです。^[10]

エレクトロルミネッセンス（EL）イメージングの場合、シリコンの励起は、電源によってモジュールコネクタに適用される外部順方向電流によってトリガーされます。発生する順方向バイアスにより、多数キャリアがp-n接合を通過するようになり、再結合が増加します。この方法は、発光ダイオード（LED）の動作原理に対応しています。^[10]

通常、EL は実験室環境で行われ、暗い環境では放出された放射線と周囲の放射線が分離されます。しかし、低照度条件^[11]での屋外 EL も可能です。収集された信号内のノイズ (実験室では電子機器と放出された光子の統計的変動によるノイズ、屋外ではさらに周囲の放射線によるノイズ) を取り除くために、 EL 画像の背景減算が行われます。したがって、電源をオフにした同一の画像が撮影されます。これはノイズのみで構成され、最初の画像から減算できます。EL 画像により、セルの亀裂、セルの不一致、指の破損、PID などの多くの DM を検出できます。^[10]

フォトルミネセンス（PL）イメージングは​​、外部光源を使用して太陽電池のシリコン内部のキャリアを励起することで行われます。回路が適用されていない場合、またはモジュールの負荷が高すぎる場合、励起されたキャリアは太陽電池から出ることができず、再結合して発光放射が発生します。光源は、LEDや均質化ダイオードレーザーのようにスペクトルが狭く、その光と発光信号を容易に分離できるようにする必要があります。さらに、ロングパスフィルターまたはバンドパスフィルターによって分離を確実にすることができます。実験室条件では、ELと同じルールが適用され、バックグラウンド減算を実行する必要があります。^[10] 新しいアプローチでは、日光を励起源として使用します（屋外日光フォトルミネセンス）が、これにより必要な機器がさらに少なくなります。^{[12] [13]}

PLがELより優れている点は、モジュールへの電気的接続が不要であることです。したがって、PLは太陽電池の製造サイクル全体にわたって実行でき（ELはコネクタが取り付けられている場合のみ）、動作中のPVモジュールはグリッドに接続されたままにできますが、ELの場合はモジュールを切断し、外部電源を接続する必要があります。ELで検出可能なDMに加えて、PLはセル材料の少数キャリアの寿命、拡散長、ダイオード電圧を測定できます。^[14]