Campione - PHOTON

Ricerca e tecnologia
Illuminatevi!
Le celle fotovoltaiche, oltre che
generare elettricità, possono anche
emettere luce: invertendo l’effetto fo-
tovoltaico, se vi si applica una tensio-
ne esse producono un’impercettibile
emissione nel campo dell’infrarosso.
Con particolari fotocamere, il fenome-
no può essere evidenziato e le imma-
gini risultano interessanti, perché i
punti scuri, durante il funzionamento
del modulo, sono quelli che non
producono corrente. PHOTON propone
una panoramica sui difetti diagnosti-
cabili e sulle relative cause.
Per Martin Regehly catturare immagini
dalla superfi cie degli elementi fotovoltaici
per scovarvi difetti è il pane quotidiano.
In Germania, la sua azienda Greateyes
GmbH sviluppa e vende particolari
fotocamere per la rivelazione dell’elettroluminescenza
(EL), e per l’esperto è un
po’ come se questi scatti fossero in grado
di sollevare il velo sulla vita interna del
soggetto inquadrato. Lo scopo è naturalmente
capire se le unità fotografate stiano
operando correttamente, oppure presentino
microfessurazioni o danneggiamenti
d’altra natura. Quando a Regehly, a Rotterdam,
è toccato recentemente di analizzare
600 laminati di fabbricazione cinese,
persino per lui la sorpresa è stata notevole:
il 13 per cento di quei prodotti mostrava
già microfessurazioni a livello delle celle.
«Non avrei mai pensato di riscontrare il
problema in così tanti casi», ha dichiarato
l’esperto, che ha inoltre accertato un altro
quattro per cento dei casi in cui si evidenziavano
problemi e difetti riconducibili al
processo produttivo. Dopo il trasporto di
Elettroluminescenza
I moduli fotovoltaici visti da dentro: come si
osservano e cosa rivelano
Sul banco di prova, un modulo fotovoltaico sotto tensione, per rivelarne l’elettroluminescenza: la luce emessa
dalle celle è invisibile a occhio nudo.
44 Dicembre 2012
Norbert Michalke / photon-pictures.com

quella merce in un parco solare italiano,
Regehly ha poi ripetuto le misurazioni, riscontrando
fessurazioni nel 20 per cento
del lotto di spedizione.
Per fortuna, deterioramenti di simili
entità sono fuori dal comune e, comunque,
i difetti di produzione e i danneggiamenti
da trasporto non sempre compromettono
la resa dell’installato. Se anche
piccole porzioni di cella in un modulo
non generassero più corrente, non per
questo la potenza complessiva necessariamente
risulterebbe inferiore. I produt-
Elettroluminescenza delle celle
Rivelazione dell’elettroluminescenza di un modulo a
base di silicio policristallino.
Normalmente le celle convertono in elettricità
la radiazione solare incidente, ma il processo
fotovoltaico può anche funzionare all’inverso:
così, quando viene loro applicata una tensione,
la superfi cie delle celle libera fotoni, ovvero inizia
a emettere luce (si veda il grafi co). Questo irraggiamento
delle unità cristalline, verifi candosi nel
campo del vicino infrarosso (IR), risulta tuttavia
invisibile a occhio nudo, perciò per valutarlo si
debbono impiegare particolari fotocamere elettroluminescenti
(EL). Mentre fi no a pochi anni
fa per catturare i fotoni erano necessari tempi
di esposizione piuttosto lunghi, oggi si possono
creare immagini ad alta risoluzione di una cella o
di un modulo nel giro di pochi secondi. Venduti a
un prezzo tra i 10.000 e i 35.000 euro, dispositivi
di questo genere sono accessibili alla maggior
parte delle aziende. È perfi no possibile trasfor­
photon-pictures.com
tori sostengono di solito di aver messo
in conto un certo numero di porzioni
inattive delle celle, mentre il cliente, in
fi n dei conti, paga, per avere un modulo
di una determinata potenza, calcolabile
solo alla fi ne della manifattura.
I difetti suscettibili di diventare critici
solitamente già emergono durante il processo
industriale, se il produttore è dotato
di un controllo qualità effi ciente, e la
merce scadente viene così scartata. Non
tutti i fabbricanti hanno però un monitoraggio
di questo tipo. Inoltre non vengo-
Misurazione dell'elettroluminescenza di una cella
Generatore
di corrente
Portatore di carica
Dalla superficie
attiva della cella
vengono emessi
fotoni
mare in rilevatori alcune delle comuni refl ex in
commercio, come il modello «EOS 400D» di Canon,
rimuovendo il fi ltro infrarosso posto di fronte
al sensore e scegliendo un obiettivo non schermato
a quelle frequenze. Bisogna poi mettere in
conto tempi di esposizione lunghi e ottimizzare il
contrasto delle immagini.
Oggigiorno, sempre più fabbricanti di moduli e
di celle integrano direttamente nelle proprie linee
di produzione sistemi di misurazione professionali.
In particolare, accade sempre più spesso che
vengano effettuati controlli di qualità a valle di
fasi di lavorazione critiche, come la disposizione
delle celle per stringa (si veda il riquadro «Rottura
dei contatti»). Se un determinato difetto supera
una soglia di tolleranza, la cella interessata deve
essere scartata e sostituita, prima che il relativo
modulo venga sottoposto a ulteriori lavorazioni.
no considerati i danni da trasporto. Altri
difetti possono poi insorgere anche solo
dopo l’installazione, in relazione alle
condizioni climatiche del sito.
Nella maggior parte dei casi l’acquirente
può stabilire se un prodotto presenta
un difetto talmente serio da tenerlo
sotto osservazione appunto con una rivelazione
di elettroluminescenza. Nelle
pagine seguenti, PHOTON presenta una
rassegna di guasti tipici a livello dei moduli
e tenta di spiegarne le cause.
Stefan Korn
Fotocamera speciale
Contatti lato anteriore
Le particelle con carica negativa (elettroni) che
sollecitano la cella si combinano con lacune con
carica positiva, per cui la superficie attiva della
cella irradia i fotoni e l'unità si illumina.
Microfessurazione
Superficie
inattiva
Gestori e compagnie di assicurazione possono,
per parte loro, utilizzare il controllo dell’elettroluminescenza
per identifi care danni non visibili.
Laboratori specializzati offrono tale controllo a un
prezzo di circa 100 euro per modulo. Le misurazioni
dell’installato a domicilio consentono di ispezionare
i laminati sospetti direttamente sul posto,
senza neppure doverli smontare.
Per le immagini scattate, valgono le seguenti
considerazioni generali: quanti più fotoni vengono
emessi da una determinata porzione di cella, tanto
più questa sta generando energia, ragione per cui
le aree elettricamente più attive risultano chiare,
mentre quelle improduttive appaiono scure. In
questo modo sono persino rilevabili problemi che
non comportano ancora diminuzioni di potenza, ed
è addirittura possibile prevedere la possibile futura
insorgenza di determinate criticità. sk
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Grafica: Ah-Young Betsch / PHOTON

Microfessurazioni
Ricerca e tecnologia
Tra le complicazioni diagnosticabili per via
di rivelazione di EL le microfessurazioni
sono forse le più note: si tratta di piccole
fratture, nella maggior parte dei casi neppure
individuabili a occhio nudo, né riconducibili
a un unico motivo. Nel silicio delle
sottilissime unità fotovoltaiche bastano
infatti un colpetto in fase di produzione o
uno scrollone durante il trasporto a creare
effetti di questo genere. Conseguenze
analoghe potrebbero inoltre dipendere
da differenti fasi di lavorazione, quali il
taglio dei wafer o la saldatura delle celle
in stringhe (si veda il riquadro «Rottura dei
contatti»). Per questo le microfessurazioni
sono presenti spesso anche in moduli
appena usciti di fabbrica.
In un modulo installato gli sbalzi termici,
con dilatazioni e compressioni, logorano
i materiali al punto di provocare o
aggravare questo genere di screpolature
al pari del vento, della neve e della grandine,
che sottopongono i moduli a sollecitazioni
meccaniche rilevanti.
Minute crepe possono infl uire negativamente
sia sulla resa che sulla durata
di un elemento, ma non necessariamente:
fi nché la microfessurazione non intacca
la metallizzazione delle celle, infatti, la
corrente può continuare a scorrere. L’incidenza
sulla potenza di un’incrinatura
può dipendere da vari fattori. Solo se una
Effetti delle microfessurazioni
Fessurazioni isolanti laterali Fessurazioni isolanti centrali
In entrambe le celle, microfessurazioni hanno separato i contatti metallici in
modo tale che la corrente generata da alcune aree non può più defluire verso
le griglie di raccolta delle cariche, determinando porzioni inattive.
Fessurazione trasversale Fessurazione longitudinale
porzione di cella resta isolata, la corrente
non può più passare dai contatti metallici
alla griglia di raccolta delle cariche (si
veda grafi co).
I ricercatori dell’Institut für Solarenergieforschung
della tedesca Hameln, hanno
scoperto che la potenza di un modulo in
cui l’otto per cento della superfi cie delle
celle è compromessa da microfessurazioni,
sarebbe inferiore del 2,5 per cento,
sempre che i contatti superfi ciali non
risultino interrotti. Per microfessurazioni
isolate, la riduzione di potenza non sarebbe
nemmeno registrabile. A seconda
dell’aspetto della frattura si può prevedere
in quale misura questa possa diventare
problematica. Un produttore coscienzioso
scarta sistematicamente le unità in cui
individua aree di una certa dimensione
isolate da una microfessurazione, perché
questa, una volta sottoposta a sollecitazione
meccanica o a sbalzi di temperatura,
potrebbe allargarsi fi no a infl uire
sull’effi cienza della conduzione elettrica
(si veda riquadro «Rottura delle celle o
fessurazioni attive»). Quanto più sottile
è il wafer impiegato, tanto maggiore è il
rischio di rottura. Dal momento che i fabbricanti
vogliono risparmiare sui costi dei
materiali, le celle diventano oggi sempre
più sottili e il rischio di microfessurazioni,
di conseguenza, aumenta. sk
In questa cella, la fessurazione è La fessurazione longitudinale al centro
trasversale alle griglie di raccolta delle della cella non comporta problemi e la
cariche, per cui i contatti metallici possono corrente si riversa sulla griglia di raccolta
trasportare comunque la corrente. delle cariche non danneggiata.
Superficie inattiva
della cella
mbj-Solutions GmbH (2)
Tracce di
pneumatici da trattore
PI Photovoltaik-Institut Berlin AG (2)
No, non ci è passato sopra un trattore: l’impronta in questa
rivelazione di EL si è prodotta durante la fabbricazione
della cella. Come nella parte anteriore delle unità fotovoltaiche
vengono inserite in sottili trame le griglie di
raccolta delle cariche, anche sul retro, per creare contatti
si fa ricorso a una pasta metallica nella maggior parte
dei casi di alluminio. E pure questo strato, come la metallizzazione
sul lato anteriore, viene cotto in un forno a
una temperatura tra 800 e 900°C. Il nastro su cui le celle
vengono trasportate può determinare una distribuzione
non omogenea del calore e sul lato posteriore delle celle
prende così forma l’impronta, invisibile a occhio nudo. Simili
tracce non hanno sulle celle alcun infl usso e possono
dunque essere considerate pure curiosità. sk
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Grafica: Ah-Young Betsch / PHOTON

mbj-Solutions GmbH (2)
mbj-Solutions GmbH (2)
photon-pictures.com [M]
Celle «arrostite»
Qui è come se si fosse versato dell’inchiostro: le
grosse macchie scure sono un indicatore che questa
cella non genera più corrente, probabilmente per
come è stata fabbricata. I contatti in superficie che
ricevono corrente, infatti, risultano distrutti dalla cosiddetta
«sinterizzazione» che si compie all’interno
del forno continuo: tale processo è realmente finalizzato
a imprimere a fuoco nella cella i contatti metallici
e le griglie di raccolta delle cariche, applicate
Cortocircuiti
Stringhe male assortite
In questo elemento a base di silicio
policristallino, è stata inserita una cella
meno potente delle altre, che pertanto
si presenta con un aspetto più scuro. La
potenza di ciascuna unità viene misurata
dal fabbricante alla fine del processo di
lavorazione, per una successiva selezione
in classi di potenza. Le differenze
dipendono soprattutto dalla qualità del
silicio impiegato. I produttori di moduli
si affidano alle informazioni dei fornitori,
per montare nei laminati celle tutte della
medesima classe. L’inserimento in un
modulo di una unità di classe di potenza
differente diminuisce l’erogazione di tutta
quanta la stringa. sk
Impurità nella struttura del wafer, particelle di alluminio
sulla superficie attiva oppure uno strato
emettitore localmente danneggiato da microfessurazioni
possono provocare cortocircuiti. Si parla, a
tal proposito, di punti di «shunt», che compaiono
nella rivelazione di EL come aree più scure, visto
che la tensione intorno a loro si riduce. Se in un
cortocircuito la potenza elettrica si disperde in calore,
si possono creare degli «hotspot». Questo è
un problema soprattutto in presenza di un ombreggiamento
parziale, perché, per quanto una cella
ombreggiata non generi energia, vi si formano
le cosiddette correnti inverse, derivanti dal fatto
che le altre celle continuano a essere attive. Si
mediante un procedimento serigrafico, in modo che
si connettano allo strato emettitore all’interno della
cella. Soltanto in questo modo l’elettricità generata
può essere trasferita. Nell’esempio, tuttavia, la metallizzazione
è stata effettuata utilizzando un calore
eccessivo. In un modulo, una cella del genere non
deve comparire: al più tardi durante la misurazione
della potenza il controllo di qualità dovrebbe individuare
e scartare l’unità. sk
tratta di flussi che scorrono di preferenza attraverso
l’area interessata, dal momento che vi risulta
presente una minor resistenza elettrica. A causa
della forte sollecitazione a livello locale, l’area può
anche surriscaldarsi e la cella fondersi. In tal caso,
l’interruzione della produzione elettrica risulta inevitabile
e, nella peggiore delle ipotesi, il modulo
può persino prendere fuoco. Che un cortocircuito
possa provocare degli «hotspot» si scopre tuttavia
soltanto applicandovi una corrente inversa ed effettuando
una termografia (si veda riquadro «Altri
metodi di misurazione»): sull’immagine a elettroluminescenza,
infatti, tutti i tipi di cortocircuito
appaiono scuri allo stesso modo. sk
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mbj-Solutions GmbH
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Ricerca e tecnologia
Isolamento difettoso dei bordi
Affinché le celle funzionino, i lati anteriore e
posteriore del wafer di silicio utilizzati devono
essere isolati elettricamente l’uno dall’altro
e per separare lo strato drogato con fosforo
di tipo «n», applicato durante la produzione
del wafer, da quello interessato da drogaggio
di tipo «p», i bordi vengono isolati. Di solito
ciò avviene mediante decapaggio chimico a
umido, oppure con l’aiuto di un laser. Se il
procedimento di decapaggio non funziona
correttamente oppure se il laser non è calibrato
propriamente, l’isolamento può risulta­
Difetti nei contatti
Durante la produzione del modulo, può accadere
che una griglia di raccolta delle cariche
non risulti connessa alla cella, o lo sia solo
parzialmente, ad esempio a causa di un difetto
di saldatura. In questo caso la corrente viene
trasmessa solamente da una griglia, mentre
l’area intorno all’altra appare più scura.
Una cella con contatti difettosi provoca una
diminuzione di potenza dell’intero modulo in
cui è inserita. Allo stesso tempo, la porzione
di cella in cui i contatti sono presenti si surriscalda,
in quanto deve condurre tutta quanta
l’elettricità generata dalla cella. sk
Altri metodi di misurazione
Grazie alla misurazione dell’elettroluminescenza
si possono scoprire molti difetti
nelle celle, tuttavia questo metodo presenta
due svantaggi. Innanzitutto, dal momento che
deve essere applicata una tensione, le prove
possono essere eseguite soltanto su unità finite,
ovvero già dotate di contatti, per cui il sistema
non consente di rilevare i difetti durante
le fasi precedenti della lavorazione come, ad
esempio, nel taglio dei wafer. Per poter individuare
i guasti a monte della metallizzazione,
si deve far riscorso alla fotoluminescenza, in
cui anziché mettere sotto tensione elettrica il
silicio, il wafer viene colpito con un laser o con
la luce emessa da diodi luminosi. Il semimetallo
reagisce all’energia con cui è investito
emettendo radiazioni nel campo del vicino
infrarosso. I relativi fotoni possono essere
evidenziati grazie a una speciale fotocamera.
Per poter contemporaneamente effettuare la
misurazione e generare un’immagine, al fine
di eccitare la superficie attiva, viene utilizzata
una lunghezza d’onda notevolmente inferiore
allo spettro che la cella stessa emette.
re difettoso. Le zone marginali interessate dal
fenomeno, come quelle che si vedono nella
foto, risultano poco attive elettricamente.
Una riduzione di potenza come questa viene,
di solito, messa in conto. Dal punto di vista
elettrico, l’isolamento dei bordi mal riuscito
rappresenta una variante di cortocircuito. Anche
in queste aree, possono perciò formarsi
degli «hotspot», evidenziabili mediante termografia
(si veda riquadro «Altri metodi di
misurazione»). Nella foto si possono anche
osservare dei cortocircuiti puntiformi. sk
Il secondo svantaggio dell’elettroluminescenza
è che la misurazione di
celle dotate di contatto non è in grado
di identificare gli «hotspot»: soltanto una
termografia è in grado di mostrare se un
cortocircuito sviluppa calore a livello locale.
Nella sua variante «dark lock in»,
alla cella viene applicata una corrente,
mentre una speciale fotocamera ne registra
la produzione di calore; nella variante
alternativa «illuminated lock in»,
l’unità viene colpita da fasci di luce come
nella fotoluminescenza, senza che sia necessaria
la presenza di contatti. In base
alla quantità di corrente trasformata
dalla cella nei suoi diversi settori, si determina
una distribuzione a livello locale
della temperatura, da cui è riconoscibile
anche la resistenza elettrica. Entrambi
i metodi termografici risultano adatti a
identificare settori con una resistenza
particolarmente bassa (cortocircuiti, ovvero
«shunt»), dove si forma calore come
potenza dissipata. sk
photon-pictures.com (2)
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photon-pictures.com (2)
Errori di stampa
photon-pictures.com (2)
In questa immagine, alcuni contatti metallici risultano interrotti,
come in un «pattern» che si replica su due celle,
rivelando un errore nel procedimento serigrafico per mezzo
del quale i contatti metallici e le griglie di raccolta delle
cariche sono stati applicati sulle unità fotovoltaiche. Se la
matrice risulta anche solo parzialmente contaminata, otturata
o danneggiata, la pasta metallica non viene stesa in
modo corretto e i punti difettosi risultano scuri. L’assenza
di singoli contatti metallici, sebbene in pratica ininfluente
sulla potenza della cella, indica però che c’è un potenziale
di produzione non sfruttato: un’area priva di contatti non
può nemmeno essere attiva elettricamente. sk

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Rottura dei contatti
In questa immagine si può osservare un
difetto tipico nella disposizione a stringa
delle celle, in cui il polo positivo di un’unità
fotovoltaica risulta collegato a quello negativo
di un’altra mediante una piattina di
collegamento. Queste connessioni vengono
saldate automaticamente o a mano sulla
griglia di raccolta delle cariche (busbar) precedentemente
applicata. Durante tale procedimento,
può accadere che i fi ni contatti
Rottura delle celle o
fessurazioni attive
Una situazione di questo tipo dovrebbe
essere notata già in fase di controllo
visivo del modulo, ma non sempre accade:
a parte il caso della separazione
di una porzione di cella interessata da
rottura, ci si può trovare di fronte a una
fessurazione attiva, che ha intaccato la
metallizzazione in superfi cie, in un punto
in cui la corrente non può più transitare,
per cui l’area interessata appare scura.
Una rottura di questo tipo della cella o
metallici che trasportano la corrente dalla
superfi cie della cella, durante il raffreddamento,
si stacchino dalla griglia di raccolta
delle cariche. Se la saldatura è effettuata a
temperature eccessive, la pasta di argento
applicata in prossimità delle griglia di raccolta
delle cariche può anche evaporare.
Anche in questo caso, vale il principio che
le porzioni di cella in cui non sono presenti
contatti non producono corrente. sk
Cause dei difetti prodotti in fase di saldatura
caldo
freddo
1 Le temperature troppo elevate
provocano l'evaporazione dei contatti
metallici.
2
Piattine di collegamento vengono saldate sulle griglie
di raccolta delle cariche della cella.
freddo
A causa della saldatura, si forma una
forza di trazione termica: le microfessurazioni
possono estendersi fino a
procurare addirittura la rottura della cella.
una fessurazione attiva possono insorgere
in conseguenza di una sollecitazione
meccanica, durante la manipolazione
della cella, oppure già nel corso del processo
produttivo, ad esempio, a causa
della forza di trazione che si crea durante
la saldatura della piattina di collegamento
(si veda grafi co). Un cella come
questa può avere effetti negativi sulla
potenza com plessiva del modulo in cui
è inserita. sk
Grafica: Ah-Young Betsch / PHOTON
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