Trwałość urządzeń fotowoltaicznych w zastosowaniach naziemnych może sięgać 40 lat, dzięki badaniom i doświadczeniu naukowców oraz producentów. Rozwój międzynarodowych standardów produkcyjnych pozwolił zapobiec wielu niepowodzeniom na wczesnym etapie użytkowania modułów PV i taką strategię należy kontynuować w przyszłości.
Cykl wprowadzania modułu PV na rynek mierzy się w zaledwie miesiącach, dlatego należy poczynić dodatkowe kroki umożliwiające ocenę degradacji urządzenia i szybkie wykrywanie defektów. Amerykańscy naukowcy z laboratorium NREL (National Renewable Energy Laboratory) przedstawili strategię dotyczącą przyspieszonych testów w pomieszczeniach oraz warunkach zewnętrznych i sposobów modelowania wymaganych do utrzymania wysokiej niezawodności urządzeń w następnej dekadzie podkreślając, że zjawisko degradacji na poziomie ogniw, modułów i systemów może spowolnić rozwój fotowoltaiki [D.C. Jordan, T.M. Barnes, Sol. RRL, 2023, 7, 2300170].
Awaria instalacji fotowoltaicznej często definiowana jest jako 20% utrata wydajności początkowej, mogąca wynikać z nagłego spadku sprawności lub jej stopniowej utraty w ciągu miesięcy lub lat przed przewidywanym końcem żywotności modułu. Obliczenia naukowców wskazują, że amerykańskie i europejskie systemy PV wykazują średni roczny spadek wydajności w tempie 0,75%. Badanie Solar Futures Study amerykańskiego Departamentu Energii przedstawia scenariusz, w którym potrzeba ok. 1 TW energii z systemów fotowoltaicznych do 2035 r. w celu dekarbonizacji sieci elektroenergetycznej w Stanach Zjednoczonych. Biorąc pod uwagę, że na koniec trzeciego kwartału 2022 r. w USA łączna moc zainstalowanych instalacji PV wynosiła 130 GW, osiągnięcie 1 TW będzie stanowić znaczne wyzwanie. Badacze z NREL jednoznacznie wskazują, że zmniejszenie utraty wydajności urządzeń fotowoltaicznych z 0,75% do 0,50%, tylko w pierwszym roku pracy modułów, zmniejszyłoby roczne zapotrzebowanie na likwidację, wymianę i recykling o moc wynoszącą 2,5 GW pokrywającą około 30 km2. Temu wyzwaniu mają służyć liczne inwestycje w nauki podstawowe.
Stany Zjednoczone są pionierem poprawy jakości i testowania urządzeń elektronicznych. Już w latach 80 XX wieku zapoczątkowano projekt nazwany Flat-Plate Solar Array, w ramach którego moduły fotowoltaiczne ówczesnych producentów przechodziły przyspieszone testy laboratoryjne obserwując pojawiające się awarie i przekazując informację zwrotną producentom. W ciągu 5 rund takich działań poprawiono żywotność modułów fotowoltaicznych z niecałego roku do ponad 10 lat, co oznaczało, że ścisła współpraca między producentami, a laboratoriami badawczymi była kluczowa. Wiele z opracowanych testów stanowiło podwaliny dla Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej (IEC) do stworzenia normy 61215 obowiązującej do dziś. Liczba testów przewidzianych w standardzie okazała się bardzo skuteczna w wykrywaniu problemów projektowych modułów, które mogłyby prowadzić do awarii na wczesnym etapie życia, jednakże ze względu na ewoluującą technologię PV norma jest stale dostosowywana do nowych obserwacji i technologii. Stwarza to problem, w którym od opracowania odpowiednio dostosowanych testów do włączenia ich do międzynarodowych standardów mogą minąć lata. W tym czasie wiele projektów lub kombinacji materiałów może już wejść na rynek komercyjny i potencjalnie stworzyć zagrożenie lub straty finansowe.
Ulepszone przyspieszone testy w pomieszczeniach zamkniętych
W przypadku komponentów oraz systemów degradacja i awarie są w naturalny sposób powiązane ze sobą wzdłuż krzywej współczynnika ryzyka, którą często określa się potocznie jako „krzywą wannową” ze względu na zwiększoną awaryjność na początku i pod koniec okresu użytkowania. Jednakże, w przypadku modułów fotowoltaicznych krzywa jest mniej symetryczna i charakteryzuje się niższym wskaźnikiem awaryjności na początku okresu użytkowania ze względu na pomyślny rozwój norm IEC i innych standardowych testów kwalifikacyjnych.
Moduły fotowoltaiczne wymagają solidnego i trwałego „opakowania”, aby przetrwać trudny klimat i konfiguracje montażowe. Odpowiednia hermetyzacja jest niezbędna do praktycznego zastosowania, jednakże utrudnia łatwą charakteryzację i zrozumienie mechanizmów degradacji oraz zbadanie leżących u jej podstaw zjawisk fizycznych i chemicznych. Moduły są często postrzegane jako pojedyncza całość, ponieważ są w ten sposób sprzedawane, jednak tak naprawdę należy je rozumieć jako wieloaspektowe systemy, w których jednocześnie może zachodzić wiele mechanizmów degradacji termicznej, chemicznej, elektrycznej i optycznej, co może prowadzić do złożonych interakcji.
Szereg technik stosowanych obecnie do charakteryzowania zdegradowanych modułów, pochodzi z przyspieszonych testów w pomieszczeniach lub z instalacji terenowych. Są jednak opóźnionymi wskaźnikami degradacji, ponieważ wykrywają zmiany dopiero po zauważalnych defektach optycznych lub utracie wydajności. Przykładowo wykrycie mikropęknięcia ogniwa następuje, gdy pojawi się „hot spot”, fototermiczny rozkład ogniwa, gdy widoczne są już zmiany kolorystyczne, korozja, gdy spada fill factor (FF) itd. Niestety wyniki szczegółowych badań w skali atomowej często można uzyskać jedynie poprzez charakterystykę destrukcyjną, a ponadto zajmują dużo czasu. Często do czasu ustalenia przyczyn degradacji produkt objęty dochodzeniem nie jest już sprzedawany.
Naukowcy podkreślają, że niezwykle przydatna byłaby bezpośrednia obserwacja mechanizmów degradacji, zamiast stosowania metod pośrednich lub charakteryzacji destrukcyjnej. Jest to szczególnie ważne, ponieważ mechanizmy awarii mogą być procesami wieloetapowymi, które można przeoczyć w konwencjonalnych przyspieszonych testach. Jednym z przykładów mechanizmu uszkodzeń wieloetapowych/wielonaprężeniowych, który został przeoczony w standardowych testach, był rodzaj trójwarstwowej poliamidowej płyty spodniej, która została wprowadzona przez producentów modułów około 2010 roku ze względu na ograniczenia związane z kosztami i łańcuchem dostaw. Pięć do dziesięciu lat później prawie wszystkie te arkusze podkładowe uległy awarii, a moduły wymagały wymiany, mimo że w tym czasie zdały one test kwalifikacyjny modułów. Powodem było to, że mechanizm awarii wymagał połączenia naprężenia mechanicznego i cyklicznych zmian temperatury, a tradycyjne testy modułów i próbek nie zapewniły takiej kombinacji, jaka miała miejsce w terenie.
Obecnie niektóre testy przeprowadzane w laboratoriach, np. w wilgotnym cieple, są dość długimi testami. Bezpośrednia obserwacja mikroskopijnych zmian pod wpływem złożonych naprężeń może przyspieszyć cykl uczenia się maszynowego, wykrywającego słabe punkty w nowych materiałach/kombinacjach. Ogniwo jest obciążane wieloma czynnikami jak: wilgotność względna, temperatura, ekspozycja na promieniowanie UV i jednocześnie jest scharakteryzowane in situ. Zastosowanie skaningowej mikroskopii elektronowej z możliwością zmian atmosfery i wykorzystanie „machine learningu” umożliwi szybkie testowanie i sprawdzanie nowych kombinacji materiałowych.
