Rastros de caracol en paneles solares: causas y prevención

Una línea gris o marrón amarillenta aparece a lo largo de una grieta de célula meses después de la instalación, y se culpa al módulo. Las estelas de caracol suelen ser cosméticas. La grieta subyacente no lo es. En una línea de módulos, la grieta es la parte que usted controla.

Fabricación de módulos fotovoltaicos · Fiabilidad e inspección de módulos · por Jerry, Ooitech

1. Qué es una estela de caracol y qué no es

Una estela de caracol, también llamada rastro de caracol o marca de gusano, es una decoloración gris, marrón amarillenta u oscura en la parte frontal de un módulo de silicio cristalino. Suele seguir un dedo de rejilla de plata, un borde de célula o la trayectoria de una grieta de célula. Ese último patrón es el origen del nombre: la decoloración traza la grieta del mismo modo que un rastro cruza el vidrio.

IEA PVPS, el programa internacional de colaboración sobre sistemas de energía fotovoltaica, describe un rastro de caracol como decoloración de la metalización frontal e informa que normalmente se hace visible aproximadamente entre tres meses y un año después de la instalación. El momento varía según el diseño del módulo y el entorno de operación, por lo que dos instalaciones de aspecto idéntico pueden divergir.

La distinción que decide la mayoría de las disputas comerciales es esta: la estela visible y el defecto eléctrico subyacente no son lo mismo. La guía actual de IEA PVPS afirma que los rastros de caracol en sí no tienen una influencia directa demostrada sobre el rendimiento del módulo. Lo que puede reducir la producción o crear calentamiento anómalo es una condición asociada: una grieta de célula que separa una región activa, un dedo de rejilla dañado, una interconexión defectuosa o una desadaptación de corriente dentro de un subconjunto.

Fig. 1: Una estación de inspección EL en línea en una línea de módulos. El monitor muestra la imagen de electroluminiscencia, donde una grieta aparece como una línea oscura. Una estela de caracol observada en campo a menudo sigue exactamente esa línea.

2. Cómo se forma una estela de caracol: grieta, química y transporte

Ninguna causa única produce una estela de caracol. La evidencia publicada apunta a una interacción, y tres condiciones deben superponerse antes de que algo se haga visible.

La evidencia química es más específica que la explicación popular. Estudios de microscopía y químicos han vinculado la decoloración de estelas de caracol a cambios en el sistema de metalización de plata. Meyer y sus colaboradores identificaron nanopartículas de plata en el encapsulante inmediatamente por encima de los dedos de rejilla afectados. Peng y sus colaboradores identificaron nanopartículas de carbonato de plata en rejillas de plata decoloradas. Otras investigaciones han reportado acetato de plata, fosfato de plata, carbonato de plata y sulfuro de plata en módulos expuestos en campo. Fan y sus colaboradores identificaron acetato de plata y propusieron un mecanismo que involucra la rejilla de plata, oxígeno y ácido acético cerca de una microfisura.

Esos hallazgos no constituyen una única vía universal, y eso importa para cómo especifica los materiales. El término "estela de caracol" describe una decoloración visualmente similar que más de una interacción de materiales puede producir.

Un resultado en particular debería cambiar cómo lee las afirmaciones de los proveedores. Fan y sus colaboradores modelaron el proceso y realizaron pruebas aceleradas. En sus resultados, una microfisura junto con un espacio de célula actuó como vía de transporte. La transmisión de oxígeno a través del backsheet tuvo una influencia importante en la formación de acetato de plata. Dentro del rango de transmisión de vapor de agua examinado en ese estudio, la transmisión de vapor de agua no se encontró que controlara la formación de estelas de caracol.

Una grieta es una condición previa común para una ruta alineada con la grieta, pero no es suficiente. Muchas células agrietadas nunca desarrollan una ruta visible. IEA PVPS identifica la combinación de materiales del módulo, radiación UV y temperatura como una razón importante por la que la susceptibilidad difiere entre diseños de módulos.

3. Snail Trail, PID y LID: tres modos de envejecimiento, tres cláusulas

Estos tres términos se mezclan en los documentos de especificación, y la confusión es costosa. Tienen impulsores diferentes, evidencia diferente y cláusulas de ensayo diferentes. Escribir una cláusula general de "sin degradación" no cubre ninguno de ellos adecuadamente.

Para LID y LeTID específicamente, el comportamiento depende de la tecnología de la célula y no puede transferirse de un tipo de célula a otro. Nuestras propias mediciones en células de contacto posterior tipo n vinculan el coeficiente de temperatura en estado estacionario, la dinámica de LeTID y la fuga en oscuridad, y la conclusión se limita explícitamente a la célula medida en lugar de a la familia tecnológica. Si compra una célula diferente, necesita los datos de esa célula. Cubrimos el enfoque de medición con más detalle en el estudio de degradación por temperatura y LeTID en células de contacto posterior tipo n.

Para PID, el rendimiento anti-degradación del encapsulante normalmente se cita según IEC TS 62804, y la comparación de encapsulantes en este sitio enumera ese parámetro para cada tipo de película. Ese es el lugar correcto para anclar una cláusula de PID, porque el fallo está impulsado por el entorno eléctrico y de humedad que el encapsulante tiene que soportar.

4. Dónde su línea crea la condición previa: grietas en las células

Un snail trail necesita una ruta. En el lado de la fabricación, esa ruta es una grieta, y las grietas provienen de una lista corta de lugares. IEA PVPS identifica la manipulación de células, el corte, el stringing, la soldadura, el lay-up, la laminación, el enmarcado y la presión mecánica local como fuentes potenciales, y añade el embalaje, el transporte y la instalación como fuentes principales posteriores a la producción.

Fig. 2: Una laminadora de módulos con la cámara abierta. La laminación aplica calor y presión a todo el laminado, por lo que cualquier grieta presente en el lay-up se traslada al módulo terminado y ya no es barato eliminarla.

Vale la pena vigilar dos señales operativas. Primero, los patrones de grietas repetitivos en múltiples módulos suelen indicar un mecanismo relacionado con la producción en lugar de daño aleatorio por manipulación. Segundo, la apariencia de la grieta por sí sola no identifica el evento que la causó, por lo que la pregunta útil no es "¿hay una grieta?" sino "¿en qué etapa apareció?".

Esa pregunta es respondible si inspecciona en más de un punto. Ooitech construye inspección EL para tres posiciones en la línea, y las diferencias de especificación entre ellas son lo que le permite localizar una grieta en lugar de solo detectarla.

5. Qué puede y qué no puede probar EL sobre una ruta

La imagen de electroluminiscencia es el método único más informativo para decidir si una ruta visible coincide con una grieta y si hay presente una región eléctricamente inactiva. También es el método en el que se confía en exceso con más frecuencia.

Una imagen EL no es una fotografía con un aprobado o fallo automático. La corriente directa aplicada, la sensibilidad de la cámara, la exposición, el enfoque, la luz ambiente, la temperatura del módulo y la normalización de la imagen cambian todos el aspecto de la imagen. IEC TS 60904-13 especifica cómo deben capturarse y procesarse las imágenes EL, y da orientación para la interpretación cualitativa. Una región oscura puede indicar una grieta, un defecto de interconexión, derivación o una interrupción de un dedo. Leerla correctamente significa poner la imagen EL junto a la imagen visual, el diseño del módulo y los datos I-V.

Fig. 3: Una estación EL fuera de línea con una plataforma de vidrio. Como el módulo se carga a mano, la estación no está limitada por el takt time de la línea, lo que la convierte en el lugar práctico para reinspeccionar un módulo sospechoso o una unidad devuelta.

Vale la pena enunciar claramente dos límites, porque determinan lo que se puede prometer a un cliente. Las imágenes EL no pueden ver detrás del marco de aluminio ni debajo de la caja de conexiones, por lo que cualquier cosa en esas zonas debe comprobarse antes del enmarcado. Y las imágenes EL no dicen nada sobre la química de una estela; muestran la consecuencia eléctrica, no la reacción que causó la decoloración.

Cuando la pregunta pasa de "¿hay una grieta?" a "¿cuánto nos costó en potencia?", la EL ya no es el instrumento adecuado por sí sola. La medición I-V proporciona ese número, y los dos resultados deben compararse por código de barras de módulo para que los datos eléctricos de un módulo y la imagen de un módulo permanezcan vinculados. El procedimiento de medición se describe en cómo medir con precisión la curva I-V de un módulo solar fotovoltaico, y las decisiones sobre la disposición de la estación se tratan en Pruebas EL para paneles solares: configuración en línea vs fuera de línea.

6. Reducir el riesgo de snail trail en materiales y procesos

Si no se puede eliminar cada grieta, la siguiente palanca es la química. Ahí es donde entra en la discusión la elección del encapsulante y del backsheet, y donde varias afirmaciones comunes necesitan matizarse.

Fig. 4: Película encapsulante. La película es la capa contra la que realmente se asienta la rejilla de plata, por lo que su formulación y aditivos determinan qué especies reactivas están disponibles cerca de la metalización.

En los módulos basados en EVA, la degradación puede generar ácido acético, y el ácido acético es una de las especies implicadas en los productos de reacción que contienen plata. Cambiar a un encapsulante basado en poliolefina puede eliminar la vía de desacetilación del EVA hacia el ácido acético. No es una garantía universal contra la decoloración: la adhesión, los aditivos, las condiciones de laminación, la estabilidad óptica, las propiedades eléctricas y la compatibilidad de interfaz a largo plazo aún deben evaluarse como un sistema de materiales completo.

La comparación de encapsulantes publicada en este sitio enumera los parámetros relevantes para esta decisión, y vale la pena leerlos en conjunto.

La selección del backsheet merece el mismo tratamiento, y aquí la evidencia es fácil de pasar por alto. Los trabajos sobre aditivos de láminas poliméricas han demostrado que los aditivos de la propia lámina pueden desencadenar la formación de snail trails, lo que significa que dos backsheets con permeabilidad similar en la ficha técnica pueden comportarse de manera diferente en campo. Revisar solo el número de barrera principal no es suficiente. La comparación completa de tipos de película, incluidas las columnas libre de ácidos y anti-PID, se expone en nuestra guía sobre Película encapsulante EVA, POE y EPE para la fabricación de paneles solares.

La laminación se sitúa entre la elección del material y la grieta. Una grieta presente en el apilado se traslada al laminado acabado, y un proceso de laminación fuera de ventana añade sus propios defectos, incluidos burbujas, delaminación y saltos de marco. Esos son modos de fallo separados con causas separadas, y se tratan en cómo elegir la laminadora de módulos solares adecuada y en las verdaderas causas detrás de las burbujas en los módulos solares.

7. Preguntas frecuentes

¿Reducen los snail trails la potencia de salida de los paneles solares?

La decoloración visible en sí misma no tiene una influencia directa demostrada en el rendimiento del módulo. El riesgo proviene de lo que sigue el rastro. Si la grieta subyacente separa una región activa de la célula, interrumpe los dedos de la rejilla o crea una disparidad de corriente dentro de una subcadena, la potencia de salida puede caer. Un estudio citado con frecuencia comparó módulos con rastros visibles contra módulos de referencia limpios. Cuatro módulos seleccionados produjeron aproximadamente entre el 68% y el 88% de la energía de salida de referencia. Los autores atribuyeron esa deficiencia a las microfisuras y a las regiones dañadas de las células, más que a la decoloración. Esos cuatro módulos no eran una muestra aleatoria, por lo que el rango no debe tratarse como típico. La única respuesta fiable para un módulo específico es una medición I-V contra una línea base.

¿Qué causa realmente los rastros de caracol?

Una interacción, no una sola causa. Los trabajos publicados señalan tres condiciones superpuestas: una trayectoria como una microfisura o un borde de célula, una química que involucra la metalización de plata y especies reactivas, y el transporte de oxígeno y productos volátiles a través de las capas de polímero. La radiación UV y la temperatura impulsan la reacción. Se han identificado diferentes compuestos de plata en módulos afectados, incluidos acetato de plata, carbonato de plata, fosfato de plata y sulfuro de plata, lo que sugiere que más de una ruta química produce una apariencia similar.

¿Es la entrada de humedad la causa?

No por sí sola, y aquí es donde la explicación popular simplifica en exceso. En los modelos y ensayos acelerados que identificaron el acetato de plata, la transmisión de oxígeno a través del backsheet tuvo una influencia importante en la formación, mientras que no se encontró que la transmisión de vapor de agua la controlara dentro del rango examinado. La humedad sigue siendo relevante para la corrosión, la degradación del encapsulante y la delaminación. Pero si un proveedor responde a su preocupación por los rastros de caracol únicamente con un dato de transmisión de vapor de agua, la respuesta está incompleta.

¿Cuánto tiempo después de la instalación aparecen los rastros de caracol?

La IEA PVPS informa que un rastro de caracol suele hacerse visible aproximadamente entre tres meses y un año después de la instalación. El momento depende del diseño del módulo y del entorno de operación. Ese retraso es la razón por la que las cláusulas de aceptación basadas en la apariencia causan disputas: la condición a menudo se desarrolla mucho después de que los módulos hayan salido de la fábrica.

¿Son los rastros de caracol lo mismo que el PID?

No. El PID está impulsado por la tensión del sistema combinada con la humedad y la temperatura, lo que provoca migración de iones y derivación, y se evalúa con ensayos de humedad-calor y tensión bajo la IEC TS 62804. Un rastro de caracol se asocia con una trayectoria física más una química de metalización de plata. Un módulo puede tener uno sin el otro. Trátelos como dos cláusulas en la especificación, no como una sola.

¿Prevenir los rastros de caracol cambiando de EVA a POE?

Elimina una ruta, porque los encapsulantes de poliolefina no generan ácido acético como puede hacerlo el EVA. No es una garantía. La adhesión, los aditivos, las condiciones de laminación, la estabilidad óptica y la compatibilidad a largo plazo con las capas adyacentes también influyen en si aparece la decoloración. Evalúe el laminado como un sistema, y tenga en cuenta que se ha demostrado que los propios aditivos de la lámina del backsheet desencadenan la formación de rastros.

¿Se pueden eliminar o reparar los rastros de caracol?

No. La decoloración es un cambio en la metalización y en el encapsulante por encima de ella, y está dentro del laminado sellado. Limpiar el vidrio no la afecta. Por eso la prevención y la detección temprana son las únicas palancas prácticas, y por eso el punto de intervención útil es la grieta en su línea, mucho antes de que aparezca cualquier rastro.

¿Debo rechazar un envío por rastros de caracol?

No solo por la apariencia, y no sin pruebas. Solicite una imagen EL del módulo afectado y una curva I-V contra los datos de flash de fábrica. La decisión debe basarse en si está presente una región eléctricamente inactiva, un dedo de rejilla roto o un fallo de interconexión. Un rastro que no coincide con ninguna anomalía eléctrica es un hallazgo estético; uno que coincide con una región de célula separada es un hallazgo de rendimiento y garantía.

¿Cómo detecto la grieta que seguirá un rastro?

Con imágenes EL en más de una etapa de producción. Una sola estación al final de la línea confirma que existe una grieta, pero no puede decirle si la introdujo la stringer, el paso de lay-up o la prensa de enmarcado. Una inspección a nivel de string antes del layup más una inspección a nivel de módulo después de la laminación localiza la etapa, que es lo que le permite corregir el proceso en su origen.

Reflexiones finales

Trate los rastros de caracol como dos preguntas, no como una. El rastro es un resultado de materiales y química que usted influye a través del sistema de encapsulante y backsheet. La grieta que sigue el rastro es un resultado del proceso que usted influye en la línea, y es la que conlleva el riesgo eléctrico. Decida sus criterios de aceptación en términos de imágenes EL y datos I-V en etapas de producción nombradas, y luego solicite la tasa de transmisión de oxígeno junto con la tasa de transmisión de vapor de agua cuando califique el laminado. Si nos indica el tamaño de su módulo, la tecnología de célula y dónde desea que se sitúe la inspección, le propondremos la configuración EL y las etapas de inspección específicas.