I difetti nei moduli fotovoltaici

Ma quanto durano veramente i moduli fotovoltaici? Quali sono i difetti che potrebbero presentarsi durante il loro ciclo di vita? E quali sono i meccanismi che innescano l’invecchiamento dei moduli?

 La tecnologia fotovoltaica è ad oggi una delle forme di produzione di energia più efficienti e consolidate, mentre gli impianti fotovoltaici sono sistemi statici, semplici da costruire, con basso costo di manutenzione, facilmente monitorabili e con prestazioni tutto sommato stabili e sicure nel tempo.

Tuttavia  si è cominciato ad assistere in questi anni, dopo la bolla fotovoltaica degli anni 2006 – 2010, ad impianti fotovoltaici che progressivamente hanno perso la loro efficienza, a causa di difetti genetici dovuti a materiali impuri o a processi di produzione non adeguati, difetti di progettazione o componenti di scarsa qualità che hanno prodotto guasti inaspettati, manutenzione ridotta oltre naturalmente a tutte le cause di tipo esterno.

Questo breve articolo cercherà di darvi qualche informazione in merito, con la promessa di approfondire ogni singolo difetto (e le cause che lo generano) in articoli di prossima pubblicazione.

 Esistono tre grandi categorie di problemi che coinvolgono i moduli fotovoltaici a seconda del tempo di installazione:

  • Infantili
  • Mezza età
  • Usura/logorio

difetti nei moduli fotovoltaici

Come si può vedere dal grafico (fonte Solarworld) nei primi anni di vita prevalgono i fenomeni di mismatching, i problemi ai cavi e alle scatole di giunzione, la rottura del vetro.

Dopo oltre otto anni di vita i problemi riscontrati sono legati al vetro (rotture, delaminazione, ingiallimento del foglio EVA), alle celle (micro-fratture o effetto “Bava di Lumaca”), al retro del modulo (distaccamento del back-sheet), ecc.

 All’avvicinarsi del termine della garanzia la delaminazione e l’isolamento delle celle, l’ingiallimento e i fenomeni corrosivi diventano predominanti.

componenti-moduli
Elementi principali di un modulo fotovoltaico.

Prendendo quindi in considerazione ogni singolo componente, le difettosità tipiche che si possono manifestare sono le seguenti (fonte Solarworld):

difetti nei moduli fotovoltaici
Tabella difettosità dei moduli fotovoltaici.

Non sono considerate difettosità danni dovuti a cause esterne, come ad esempio: errati fissaggi della struttura di supporto, danni da trasporto, esecuzione non professionale dei lavori di installazione elettrica, danni causati da errati calcoli di portanza statica del tetto/solaio o da protezione del vento non adeguata, eventi atmosferici come fulminazioni o grandine, ecc..

Quali sono le principali cause responsabili del decadimento delle prestazioni dei moduli,  cioè del loro invecchiamento?

Effetto PID (Partial Induced Degradation – degradazione parziale indotta)

Questo effetto è uno degli effetti più studiati dall’industria fotovoltaica poiché è risultato essere uno dei fattori degradanti meno previsti e più impattanti sulle prestazioni nel tempo dei moduli fotovoltaici.
Esso sostanzialmente consiste in un fenomeno di migrazione delle cariche dal wafer di silicio, costituente la cella fotovoltaica, verso la cornice dei moduli fotovoltaici e in parte verso terra dovuto all’esposizione del pannello ad un potenziale esterno.
Questa corrente detta di dispersione, di fatto impoverisce la densità elettronica del semiconduttore (l’elemento che si occupa della produzione di corrente) e di conseguenza, incide sulle prestazioni dei moduli. Infatti questa inaspettata migrazione dei portatori di carica disturba l’effetto fotovoltaico utile alla produzione di energia (foto fonte energyhunters).

difetti nei moduli fotovoltaici
Effetto PID.

Sembra che i fattori di accelerazione di questo fenomeno siano l’aumento della temperatura della cella, la resistenza superficiale del materiale isolante, la sporcizia sul vetro, associati all’applicazione di tensione negativa.

Effetti degradanti dovuti all’esposizione solare

Prove di laboratorio hanno messo alla luce che l’esposizione ai raggi solari (soprattutto quelle ad alta energia e frequenza come i raggi β e γ) fa perdere ai moduli fotovoltaici la loro capacità di trasformare la luce solare.

Questo accade perché la radiazione interferisce con il reticolo di silicio spostando (a seguito delle interazioni onda/particella) gli atomi dalla loro configurazione originale e quindi diminuendo il potere di conduzione della giunzione semi-conduttrice. In particolare:

  • ne sono più influenzati i reticoli poli-cristallini e a film sottile rispetto ai mono-cristallini poiché reticoli complessi hanno più probabilità di essere modificati dalla radiazione rispetto a reticoli semplici;
  • difetti di fabbricazione possono introdurre atomi indesiderati o estranei (atomi diversi dai costituenti il wafer) amplificandone di fatto l’effetto.

Effetti degradanti dovuti alla cattiva qualità della lavorazione

Ci sono casi in cui laddove la lavorazione è complessa, non molto meccanizzata oppure laddove è eseguita in ambienti non isolati e controllati, si può verificare che atomi di elementi diversi da quelli costituenti la giunzione inquinino il semiconduttore. La presenza di queste impurità si traduce in un’interazione di questi atomi estranei con quelli del reticolo di progetto, e queste interazioni diminuiscono il potere di conduzione e di assorbimento delle lunghezze d’onda degli atomi vicini.

Ci sono altri casi in cui al solo scopo di ottenere una maggiore produttività, molti produttori FV spesso riducono il tempo di laminazione del modulo e ciò compromette la durata di vita dei moduli. Se il processo di laminazione è troppo breve, si possono verificare il distacco degli strati del modulo FV e la formazione di bolle d’aria; ciò può causare il surriscaldamento del modulo FV. Questo può anche permettere l’accesso di umidità all’interno del modulo, che può provocare anche l’ossidazione della cella.

delaminazione-modulo
Modulo fotovoltaico che presenta il fenomeno della delaminazione.

Effetti di vario genere come infiltrazione di umidità, ossidazione dei contatti, ecc.

A causa della non perfetta sigillatura può accadere che ci sia l’infiltrazione dell’umidità fra il vetro superiore ed il materiale isolante. Questa provoca da una parte la rovina dello strato attivo e dall’altra l’ossidazione dei contatti.
Nei vecchi moduli fotovoltaici più vecchi si può anche verificare la progressiva colorazione del vetro superiore (annerimento).

Come identificare le difettosità?

Prima di tutto è consigliabile affidarsi ad un partner che abbia non solo installato impianti fotovoltaici, ma che abbia esperienza specifica riguardo a questo tipo di problematiche.


Poi che ci sia alla base un corretto programma di manutenzione, che preveda controlli a scadenze temporali ben precise, magari insieme ad un sistema di monitoraggio.

Infine gli strumenti con cui si può valutare lo stato dei moduli sono:

  • Ispezione visiva
  • Analisi della curva I-V
  • Termografia
  • Test dell’elettroluminescenza

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