آثار الحلزون على الألواح الشمسية: الأسباب والوقاية

يظهر خط رمادي أو أصفر-بني على طول شق الخلية بعد أشهر من التركيب، فيُلام الوحدة. عادةً ما تكون آثار الحلزون تجميلية. أما الشق الذي تحتها فليس كذلك. على خط إنتاج الوحدات، الشق هو الجزء الذي تتحكم فيه.

تصنيع وحدات PV · موثوقية الوحدة والفحص · بقلم Jerry، Ooitech

1. ما هو أثر الحلزون، وما ليس هو

أثر الحلزون، ويُسمى أيضاً مسار الحلزون أو علامة الدودة، هو تغيّر لون رمادي أو أصفر-بني أو داكن على الوجه الأمامي لوحدة من السيليكون البلوري. وهو عادةً يتبع إصبعاً من الشبكة الفضية، أو حافة خلية، أو مسار شق في الخلية. وهذا النمط الأخير هو مصدر الاسم: إذ يقتفي تغيّر اللون أثر الشق كما يعبر المسار الزجاج.

تصف IEA PVPS، البرنامج التعاوني الدولي لأنظمة الطاقة الكهروضوئية، مسار الحلزون بأنه تغيّر لون التمعدن الأمامي، وتفيد بأنه يصبح عادةً مرئياً بعد نحو ثلاثة أشهر إلى سنة من التركيب. ويتفاوت التوقيت حسب تصميم الوحدة وبيئة التشغيل، ولهذا يمكن أن يختلف تركيبان متطابقان في المظهر.

التمييز الذي يحسم معظم الجدالات التجارية هو هذا: الأثر المرئي والعيب الكهربائي الكامن ليسا الشيء نفسه. تنص إرشادات IEA PVPS الحالية على أن مسارات الحلزون نفسها ليس لها تأثير مباشر مُثبت على أداء الوحدة. وما يمكن أن يقلل الإنتاج أو يسبب تسخيناً غير طبيعي هو حالة مرتبطة: شق في الخلية يفصل منطقة نشطة، أو إصبع شبكة تالف، أو وصلة بينية معيبة، أو عدم تطابق في التيار داخل سلسلة فرعية.

الشكل 1: محطة فحص EL مدمجة على خط إنتاج الوحدات. تعرض الشاشة صورة التألق الكهربائي، حيث يظهر الشق كخط داكن. وغالباً ما يتبع أثر الحلزون الملاحظ في الميدان ذلك الخط تماماً.

2. كيف يتكوّن أثر الحلزون: الشق والكيمياء والانتقال

لا يوجد سبب واحد ينتج أثر الحلزون. تشير الأدلة المنشورة إلى تفاعل، ويجب أن تتقاطع ثلاثة شروط قبل أن يصبح أي شيء مرئياً.

الأدلة الكيميائية أكثر تحديداً من التفسير الشائع. ربطت دراسات المجهر والكيمياء تغيّر لون أثر الحلزون بتغيّرات في نظام التمعدن الفضي. حدد Meyer وزملاؤه جسيمات فضية نانوية في مادة التغليف فوق الأصابع الشبكية المتأثرة مباشرة. وحدد Peng وزملاؤه جسيمات كربونات الفضة النانوية على شبكات فضية متغيرة اللون. وأفادت أبحاث أخرى بوجود أسيتات الفضة وفوسفات الفضة وكربونات الفضة وكبريتيد الفضة على وحدات معرّضة في الميدان. وحدد Fan وزملاؤه أسيتات الفضة واقترحوا آلية تشمل الشبكة الفضية والأكسجين وحمض الأسيتيك قرب شق دقيق.

هذه النتائج لا تجتمع في مسار عالمي واحد، وهذا مهم لكيفية تحديدك للمواد. فمصطلح "أثر الحلزون" يصف تغيّراً لونياً متشابهاً بصرياً يمكن أن ينتج عن أكثر من تفاعل مادي واحد.

نتيجة واحدة على وجه الخصوص ينبغي أن تغيّر طريقة قراءتك لادعاءات الموردين. نمذج Fan وزملاؤه العملية وأجروا اختبارات معجّلة. في نتائجهم، عمل شق دقيق مع فجوة خلية كمسار انتقال. كان لانتقال الأكسجين عبر الصفيحة الخلفية تأثير مهم على تكوّن أسيتات الفضة. ضمن نطاق انتقال بخار الماء الذي فُحص في تلك الدراسة، لم يُوجد أن انتقال بخار الماء يتحكم في تكوّن أثر الحلزون.

يعتبر الشق شرطاً مسبقاً شائعاً لمسار محاذي للشق، لكنه ليس كافياً. فالعديد من الخلايا المتشققة لا تطور أبداً مساراً مرئياً. وتحدد IEA PVPS مزيج مواد الوحدة، والأشعة فوق البنفسجية، ودرجة الحرارة كسبب مهم لاختلاف القابلية للتأثر بين تصاميم الوحدات.

3. مسار الحلزون، PID و LID: ثلاثة أنماط شيخوخة، ثلاثة بنود

يتم الخلط بين هذه المصطلحات الثلاثة في وثائق المواصفات، وهذا الخلط مكلف. فلكل منها محركات مختلفة، وأدلة مختلفة، وبنود اختبار مختلفة. وكتابة بند عام واحد "لا تدهور" لا يغطي أياً منها بشكل صحيح.

بالنسبة لـ LID و LeTID تحديداً، يعتمد السلوك على تقنية الخلية ولا يمكن نقله من نوع خلية إلى آخر. قياساتنا الخاصة على خلايا n-type ذات التلامس الخلفي تربط معامل درجة الحرارة في الحالة المستقرة، وديناميكيات LeTID، والتسرب المظلم معاً، والاستنتاج محدود صراحةً بالخلية المقاسة وليس بعائلة التقنية. إذا اشتريت خلية مختلفة، فأنت بحاجة إلى بيانات تلك الخلية. نغطي منهجية القياس بمزيد من التفصيل في دراسة تدهور درجة الحرارة و LeTID على خلايا n-type ذات التلامس الخلفي.

بالنسبة لـ PID، عادةً ما يُقتبس أداء مقاومة التدهور للمادة التغليفية مقابل IEC TS 62804، وتُدرج مقارنة المواد التغليفية على هذا الموقع تلك المعلمة لكل نوع فيلم. هذا هو المكان الصحيح لتثبيت بند PID، لأن الفشل مدفوع بالبيئة الكهربائية والرطوبة التي يجب أن تتحملها المادة التغليفية.

4. حيث ينشئ خطك الشرط المسبق: شقوق الخلايا

يحتاج مسار الحلزون إلى مسار. على جانب التصنيع، هذا المسار هو شق، وتأتي الشقوق من قائمة قصيرة من الأماكن. وتحدد IEA PVPS مناولة الخلايا، والقطع، والتوصيل، واللحام، والترصيص، والتغليف، والتأطير، والضغط الميكانيكي الموضعي كمصادر محتملة، وتضيف التعبئة والنقل والتركيب كمصادر رئيسية بعد الإنتاج.

الشكل 2: مصفح وحدة مع فتح الغرفة. يطبق التصفيح الحرارة والضغط على الصفيحة بأكملها، لذا فإن أي شق موجود عند الترصيص ينتقل إلى الوحدة النهائية ولم يعد إزالته رخيصة.

هناك إشارتان تشغيليتان جديرتان بالمراقبة. أولاً، أنماط الشقوق المتكررة عبر وحدات متعددة تشير عادةً إلى آلية متعلقة بالإنتاج بدلاً من تلف المناولة العشوائي. ثانياً، ظهور الشق وحده لا يحدد الحدث الذي سببه، لذا فإن السؤال المفيد ليس "هل يوجد شق" بل "في أي مرحلة ظهر".

هذا السؤال قابل للإجابة إذا فحصت في أكثر من نقطة. تبني Ooitech فحص EL لثلاثة مواضع على الخط، والاختلافات في المواصفات بينها هي ما يتيح لك تحديد موقع الشق بدلاً من مجرد اكتشافه.

5. ما يمكن وما لا يمكن لـ EL إثباته حول مسار

يعد تصوير التألق الكهربائي الطريقة الفردية الأكثر إفادة لتحديد ما إذا كان المسار المرئي يتزامن مع شق وما إذا كانت هناك منطقة غير نشطة كهربائياً. كما أنها الطريقة الأكثر إفراطاً في الثقة بها.

صورة EL ليست صورة فوتوغرافية مع نجاح أو فشل تلقائي. التيار الأمامي المطبق، وحساسية الكاميرا، والتعرض، والتركيز، والضوء المحيط، ودرجة حرارة الوحدة، وتطبيع الصورة كلها تغير كيفية ظهور الصورة. تحدد IEC TS 60904-13 كيفية التقاط صور EL ومعالجتها، وتقدم إرشادات للتفسير النوعي. قد تشير المنطقة الداكنة إلى شق، أو عيب توصيل، أو تحويل جانبي، أو انقطاع إصبع. وقراءتها بشكل صحيح تعني وضع صورة EL بجانب الصورة المرئية، وتصميم الوحدة، وبيانات I-V.

الشكل 3: محطة EL خارج الخط مع منصة زجاجية. لأن الوحدة تُحمّل يدوياً، فإن المحطة غير مقيدة بزمن دورة الخط، مما يجعلها المكان العملي لإعادة فحص وحدة مشتبه بها أو وحدة مرتجعة.

هناك حدان يستحقان الذكر بوضوح، لأنهما يحددان ما يمكنك أن تَعِد به العميل. لا يستطيع تصوير EL الرؤية خلف الإطار الألومنيوم أو تحت صندوق التوصيل، لذا يجب فحص أي شيء في تلك المناطق قبل التأطير. ولا يقول تصوير EL شيئًا عن كيمياء الأثر؛ فهو يُظهر النتيجة الكهربائية، وليس التفاعل الذي تسبب في تغير اللون.

عندما يتحول السؤال من "هل يوجد شق" إلى "كم كلفنا ذلك من الطاقة"، لم يعد EL الأداة المناسبة بمفرده. يوفر قياس I-V ذلك الرقم، وينبغي مقارنة النتيجتين لكل باركود وحدة بحيث تبقى البيانات الكهربائية لوحدة واحدة وصورة وحدة واحدة مرتبطتين. تم تحديد إجراء القياس في كيفية قياس منحنى I-V لوحدة الطاقة الشمسية الكهروضوئية بدقة, وتُغطى قرارات تخطيط المحطة في اختبار EL للألواح الشمسية: الإعداد المباشر مقابل غير المباشر.

6. تقليل خطر مسار الحلزون في المواد والعمليات

إذا لم تتمكن من إزالة كل شق، فإن الرافعة التالية هي الكيمياء. وهنا يدخل اختيار مادة التغليف واللوح الخلفي في النقاش، وهنا تحتاج عدة ادعاءات شائعة إلى تحفظات.

الشكل 4: فيلم التغليف. الفيلم هو الطبقة التي تستقر عليها الشبكة الفضية فعليًا، لذا تحدد تركيبته وإضافاته الأنواع التفاعلية المتاحة بالقرب من التمعدن.

في الوحدات القائمة على EVA، يمكن أن ينتج التدهور حمض الأسيتيك، وحمض الأسيتيك هو أحد الأنواع المتورطة في منتجات التفاعل المحتوية على الفضة. يمكن أن يؤدي الانتقال إلى مادة تغليف قائمة على البولي أوليفين إلى إزالة مسار إزالة الأسيتيل من EVA لإنتاج حمض الأسيتيك. وهو ليس ضمانًا شاملًا ضد تغير اللون: فلا يزال يتعين تقييم الالتصاق والإضافات وظروف التصفيح والاستقرار البصري والخصائص الكهربائية والتوافق البيني طويل الأمد كنظام مواد متكامل.

تسرد مقارنة مواد التغليف المنشورة على هذا الموقع المعلمات ذات الصلة بهذا القرار، ويستحق قراءتها كمجموعة.

يستحق اختيار اللوح الخلفي المعالجة نفسها، وهنا يسهل تفويت الأدلة. فقد أظهر العمل على إضافات الرقائق البوليمرية أن الإضافات في الرقاقة نفسها يمكن أن تحفز تكوين مسار الحلزون، مما يعني أن لوحين خلفيين لهما نفاذية متشابهة في ورقة البيانات يمكن أن يتصرفا بشكل مختلف في الميدان. ومراجعة رقم الحاجز الرئيسي فقط ليست كافية. المقارنة الكاملة لأنواع الأفلام، بما في ذلك الأعمدة الخالية من الأحماض والمقاومة لـ PID، موضحة في دليلنا حول فيلم تغليف EVA وPOE وEPE لتصنيع الألواح الشمسية.

يقع التصفيح بين اختيار المادة والشق. فالشق الموجود عند التجميع يُنقل إلى الصفيحة النهائية، وتضيف عملية التصفيح خارج النافذة عيوبًا خاصة بها، بما في ذلك الفقاعات والانفصال وقفز الإطار. وهذه أنماط فشل منفصلة بأسباب منفصلة، وهي مغطاة في كيفية اختيار ماكينة تصفيح وحدات الطاقة الشمسية المناسبة وفي الأسباب الحقيقية وراء فقاعات وحدات الطاقة الشمسية.

7. الأسئلة الشائعة

هل تقلل مسارات الحلزون من خرج الطاقة للألواح الشمسية؟

لا يوجد للون المتغير المرئي نفسه تأثير مباشر مُثبت على أداء الوحدة. تكمن المخاطر في ما يتبعه الأثر. إذا فصل الشرخ الكامن منطقة نشطة من الخلية، أو قطع أصابع الشبكة، أو أنشأ عدم تطابق في التيار داخل سلسلة فرعية، فقد ينخفض الإنتاج. قارنت دراسة يُستشهد بها كثيراً بين وحدات ذات آثار مرئية ووحدات مرجعية نظيفة. أنتجت أربع وحدات مختارة نحو 68% إلى 88% من إنتاج الطاقة المرجعي. وعزا المؤلفون هذا النقص إلى الشقوق الدقيقة ومناطق الخلايا التالفة وليس إلى تغير اللون. ولم تكن تلك الوحدات الأربع عينة عشوائية، لذا لا ينبغي اعتبار النطاق نموذجياً. الإجابة الموثوقة الوحيدة لوحدة معينة هي قياس I-V مقابل خط أساس.

ما الذي يسبب آثار الحلزون فعلاً؟

تفاعل، وليس سبباً واحداً. تشير الأعمال المنشورة إلى ثلاثة شروط متداخلة: مسار مثل شق دقيق أو حافة خلية، وكيمياء تتضمن التمعدن الفضي وأنواعاً تفاعلية، وانتقال الأكسجين والمنتجات المتطايرة عبر طبقات البوليمر. يقود الأشعة فوق البنفسجية ودرجة الحرارة التفاعل. وقد تم تحديد مركبات فضية مختلفة على الوحدات المتأثرة، بما في ذلك أسيتات الفضة وكربونات الفضة وفوسفات الفضة وكبريتيد الفضة، مما يشير إلى أن أكثر من مسار كيميائي واحد ينتج مظهراً مشابهاً.

هل تسرب الرطوبة هو السبب؟

ليس بمفرده، وهنا يبالغ التفسير الشائع في التبسيط. في النمذجة والاختبارات المعجلة التي حددت أسيتات الفضة، كان لانتقال الأكسجين عبر الصفيحة الخلفية تأثير مهم على التكوين، بينما لم يُوجد أن انتقال بخار الماء يتحكم فيه ضمن النطاق الذي تم فحصه. لا تزال الرطوبة مهمة للتآكل وتدهور مادة التغليف والانفصال. ولكن إذا أجاب موردك على قلقك بشأن آثار الحلزون برقم انتقال بخار الماء فقط، فإن الإجابة غير كاملة.

متى تظهر آثار الحلزون بعد التركيب؟

يذكر IEA PVPS أن مسار الحلزون يصبح عادةً مرئياً بعد نحو ثلاثة أشهر إلى سنة من التركيب. يعتمد التوقيت على تصميم الوحدة وبيئة التشغيل. هذا التأخير هو سبب تسبب شروط القبول القائمة على المظهر في نزاعات: غالباً ما تتطور الحالة بعد وقت طويل من مغادرة الوحدات بوابة المصنع.

هل آثار الحلزون هي نفسها PID؟

لا. يُقاد PID بجهد النظام مقترناً بالرطوبة ودرجة الحرارة، مما يسبب هجرة الأيونات والتحويل، ويُقيَّم باختبار الحرارة الرطبة وإجهاد الجهد وفق IEC TS 62804. ترتبط آثار الحلزون بمسار فيزيائي بالإضافة إلى كيمياء التمعدن الفضي. يمكن أن تحتوي الوحدة على أحدهما دون الآخر. تعامل معهما كبندين في المواصفات، وليس بنداً واحداً.

هل يمنع التحول من EVA إلى POE آثار الحلزون؟

يزيل مساراً واحداً، لأن مواد التغليف البولي أوليفينية لا تولد حمض الأسيتيك كما يمكن أن يفعل EVA. لكنه ليس ضماناً. يؤثر الالتصاق والإضافات وظروف التصفيح والاستقرار البصري والتوافق طويل الأمد مع الطبقات المجاورة أيضاً في ظهور تغير اللون. قيّم الصفيحة كنظام، ولاحظ أن الإضافات في رقاقة الصفيحة الخلفية ثبت أنها بحد ذاتها تحفز تكوين الأثر.

هل يمكن إزالة آثار الحلزون أو إصلاحها؟

لا. تغير اللون هو تغير في التمعدن وفي مادة التغليف فوقه، وهو داخل الصفيحة المختومة. تنظيف الزجاج لا يؤثر عليه. لهذا فإن الوقاية والكشف المبكر هما الرافعتان العمليتان الوحيدتان، ولهذا فإن نقطة التدخل المفيدة هي الشرخ على خطك، قبل ظهور أي أثر بوقت طويل.

هل يجب أن أرفض شحنة بسبب آثار الحلزون؟

ليس بناءً على المظهر وحده، وليس دون أدلة. اطلب صورة EL للوحدة المتأثرة ومنحنى I-V مقابل بيانات الفلاش من المصنع. يجب أن يستند القرار إلى ما إذا كانت هناك منطقة غير نشطة كهربائياً أو إصبع شبكة مكسور أو عطل في التوصيل البيني. الأثر الذي لا يتزامن مع أي شذوذ كهربائي هو نتيجة تجميلية؛ أما الذي يتزامن مع منطقة خلية منفصلة فهو نتيجة أداء وضمان.

كيف أكتشف الشرخ الذي سيتبعه الأثر؟

بالتصوير EL في أكثر من مرحلة إنتاج. تؤكد محطة واحدة في نهاية الخط وجود شرخ لكنها لا تستطيع إخبارك ما إذا كان جهاز التوصيل أو خطوة التجميع أو مكبس التأطير هو من أدخله. الفحص على مستوى السلسلة قبل التجميع بالإضافة إلى الفحص على مستوى الوحدة بعد التصفيح يحدد المرحلة، وهذا ما يسمح لك بإصلاح العملية من مصدرها.

أفكار ختامية

تعامل مع آثار الحلزون كسؤالين، لا سؤال واحد. الأثر هو نتيجة مواد وكيمياء تؤثر فيها عبر نظام مادة التغليف والصفيحة الخلفية. والشرخ الذي يتبعه الأثر هو نتيجة عملية تؤثر فيها على الخط، وهو الذي يحمل المخاطر الكهربائية. حدد معايير القبول الخاصة بك من حيث صور EL وبيانات I-V في مراحل إنتاج محددة، ثم اطلب معدل انتقال الأكسجين إلى جانب معدل انتقال بخار الماء عند تأهيل الصفيحة. إذا أخبرتنا بحجم وحدتك وتقنية الخلية وأين تريد أن يكون الفحص، فسنقترح تكوين EL ومراحل الفحص المحددة.