Waiting
Login processing...

Trial ends in Request Full Access Tell Your Colleague About Jove
JoVE Journal Engineering
Click here for the English version

Engineering

In Situ Overvåking av akselerert ytelse degradering av solceller og moduler: en Case studie for Cu (i, Ga) Se2 solceller

Published: October 3, 2018 doi: 10.3791/55897
Automatic Translation
1, 1, 1, 2, 3, 4, 5,6
1TNO Solliance, Thin Film Technology, 2Eternal Sun, 3Hielkema Testequipment, 4Institut des Matériaux Jean Rouxel (IMN)-UMR 6502, Université de Nantes, CNRS, 5ReRa Solutions BV, 6Institute of Molecules and Materials, Radboud University

Summary

To "Kombinert stresstest med i situ måler" oppsett, som tillater real-time overvåkning av akselerert nedbrytning av solceller og moduler, ble designet og bygget. Disse oppsett tillater samtidig bruk av fuktighet, temperatur, elektriske biases, og belysning som selvstendig styrt stress faktorer. Oppsett og forskjellige eksperimenter utført presenteres.

Abstract

Levelized kostnaden av elektrisitet (LCOE) av photovoltaic (PV) bestemmes av, blant andre faktorer, PV-modulen pålitelighet. Bedre prediksjon av nedbrytning mekanismer og forebygging av modulen feltet svikt kan derfor redusere investeringsrisiko samt øke elektrisitet produksjonen. Et forbedret kunnskap nivå kan disse grunner betydelig redusere de totale kostnadene av PV elektrisitet.

For å bedre forstå og minimere nedbrytning av PV moduler, skal i forekommende fornedrelse mekanismer og betingelsene identifiseres. Dette bør helst skje under kombinert påkjenninger, siden moduler i-feltet er også samtidig utsatt for flere stress faktorer. Derfor er to "kombinert Stress test med i situ måler" oppsett utviklet og konstruert. Disse oppsett tillater samtidig bruk av fuktighet, temperatur, belysning og elektriske skjevheter som uavhengig kontrollert stress faktorer på solceller og minimodules. Oppsett også tillate sanntids overvåking av elektriske egenskapene til disse prøvene. Denne protokollen presenterer disse oppsett og beskriver eksperimentelle mulighetene. Videre resultatene med disse oppsettene er også presentert: ulike eksempler om påvirker både avsettelse og fornedrelse stabiliteten på tynnfilm Cu (i, Ga) Se2 (CIGS) samt Cu2ZnSnSe4 (CZTS) solceller er beskrevet. Resultatene på temperatur avhengigheten av CIGS solceller er også presentert.

Introduction

PV systemer anses å være en kostnadseffektiv form for fornybar energi. PV moduler representerer kjernen av disse PV systemer og er generelt solgt med en ytelse garanti for over 25 år (f.eks, maks 20% effektivitet tap etter denne perioden)1. Det er avgjørende for tilliten til forbrukere og investorer at disse garantier er oppfylt. Elektrisitet avkastningen bør derfor være stabil og høy som mulig minst ønsket modul levetiden. Dette bør styres av reduksjon av både langsom, men jevn fornedrelse2 og uventet tidlig modul feil, som for eksempel kan oppstå på grunn av produksjonsfeil. Eksempler på observerte modul feil i feltet er potensielle indusert degradering (PID)3 og lys indusert degradering (LID)4 for krystallinsk silisium moduler eller vann indusert korrosjon i CIGS moduler5,6 , 7 , 8. for å hindre redusert felt livet PV moduler, degradering mekanismer bør derfor identifiseres og minimert.

Bedre forståelse av nedbrytning mekanismer forekommer i PV celler eller moduler vil også bidra til å redusere produksjonskostnadene for PV-modulen: i mange tilfeller-beskyttende materiale mot miljømessige belastninger introduseres i moduler å tilby garantert levetid. Dette er for eksempel SANN for fleksible tynnfilm moduler, som CIGS, som inneholder en dyre barriere for å hindre vann trenger inn. Alle pakken materialer slike moduler kan gjøre opptil 70% av modulen kostnadene. Disse beskyttende materialer er ofte over dimensjonert for å være sikker på å få den nødvendige levetiden: mer kunnskap om fornedrelse mekanismer kan derfor lage solceller mer egentlig stabil og mer nøyaktig forutsigbar. Bedre forståelse om den langsiktige stabiliteten av modulen og dens bestanddeler vil derfor trolig forhindre over dimensjonering og tillate reduserte kostnader for disse beskyttende materialer.

For å gi en generell estimering av modulen pålitelighet, er solceller og moduler nå testet og kvalifisert av akselererte levetid tester (ALT)9. Dypeste kvalifiseringsprosessen tester er definert av den internasjonale elektroteknisk Commission (IEC) 61215 tester10, som gir "go/no go" beslutninger på stabiliteten av PV moduler. Imidlertid Osterwald et al. 11 avslørt at et positivt utfall IEC tester ikke alltid indikerer at PV-modulen kan stå utendørs vilkårene for 25 eller flere år. Dette begrenset sammenheng mellom feltet og laboratoriet tester ble vist for å være særlig for den relativt nye tynnfilm moduler12.

Disse testene gir ikke innsikt i fornedrelse mekanismer ('hvilke prosesser og/eller som understreker føre observert langsom modul degradering eller rask modul feil?'). Videre kan disse testene, som er basert på én eller to stress faktorer (for eksempel mekanisk stress, kombinert temperatur og fuktighet) sikkert ikke simulere Feltets virkemåte på en pålitelig måte, siden PV moduler i feltet er underlagt til mange kombinert påkjenninger (for eksempel: temperatur, fuktighet, vind, snø, belysning, støv, sand, vann). Disse stress kan også variere per klima sone: mens i ørkenen, temperatur og belysning er trolig viktig stress faktorer; i moderat klima, kan påvirkning av for eksempel fuktighet også være svært viktig. For å simulere fornedrelse og påfølgende feil i ulike klimaer, kreves dermed ulike kombinasjoner av flere påkjenninger. Følgelig samtidige eksponering for flere stress er svært viktig å få en god estimering av modulen pålitelighet i et bestemt klima, og kombinerte stresstester bør derfor være en del av laboratorietester.

Dermed er det foreslått at kvalitative og kvantitative forståelse av nedbrytning mekanismer oppstår under kombinert stress forhold bør forbedres. Informasjon om solcelle eller modul bør ideelt sett også samles i disse testene, å tillate identifikasjon av enhetsendringer under eksponering. Vi har derfor designet og bygget to oppsett som tillater samtidig eksponering for fuktighet, (forhøyet) temperaturer, elektriske skjevheter og belysning. I disse oppsett, kan alvorlighetsgraden av disse stress også stilles, avhengig av målet med et eksperiment. I tillegg lar belysning i situ overvåking av PV enheter (figur 1)13,14,15,16,17,18, 19 , 20. disse typer tester skal hete 'Kombinert stresstester med i situ mål' (CSI). I denne protokollen vises to hybrid fornedrelse oppsett, kalt 'CSI 1' og 'CSI 2'. Mange studier, sikte på forbedring av forståelse av ytelsen og nedbrytning av spesielt tynnfilm CIGS solceller, henrettet med disse oppsettene. Et utvalg av stabilitet og temperatur avhengighet resultatene på emballert CIGS og CZTS solceller presenteres. Mer informasjon kan også finnes i21,22.

Figure 1
Figur 1 : 'Kombinert Stress tester med i situ mål' oppsett. Venstre: Skjematisk oversikt over en CSI oppsett inkludert målesystemet. Midtre og høyre: fotografi av CSI oppsett (klima chambers pluss solar simulatorer målesystemer ikke avbildet, oppsett har forskjellige størrelser). Midten er CSI1, høyre er CSI2. Dette tallet er endret fra19,30. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Protocol

Merk: Del 1 og 3 er spesifikke for degradering testing av CIGS og CZTS solceller via denne fremgangsmåten, men alle andre typer solceller (f.eks, perovskites, organisk PV og krystallinsk silisium) er eller vil bli testet med disse oppsettene. Det bør bemerkes at for hver enhetstype og geometri, en eksempel holder bør utformes. Disse holdere skal ha ikke-korroderende kontakter å hindre kontakt fornedrelse, siden dette ville skjule effekten av enhet degradering. Videre er det anbefales å kontakte prøver i en fire-punkts sonde konfigurasjon å forhindre måling av resultatene av korrodert kontakter eller ledninger i målsystemet.

1. forberedelse av CIGS solceller

  1. Bruk hansker i alle trinn av protokollen ved håndtering av solceller: beskytter mot de giftige elementene, men også forhindre avsetning av uønskede materialer, som kjøkken salt (NaCl), på prøvene.
  2. Skjær en 1 x 100 mm x 100 mm brus lime (SLG) glass prøve i fire 100 x 25 mm rektangulære strimler med glass cutter eller diamant penn for å forberede riktig underlag.
  3. Plass SLG prøven i en frese coater. Innskudd på 0,5 µm tykk molybden tilbake kontakt likespenning (DC) sputtering ved romtemperatur på glass underlag23.
    1. Velg ulike stabel sekvenser, inkludert ett lag, en bilayer og en multiplayer stabel. For eksempel sette inn en bilayer med en høy første sputtering Press (f.eks, 0,03 mbar) etterfulgt av en lavere sputtering trykk (f.eks, 0.003 mbar) ved makten tettheter av 1-5 W/cm2.
  4. Forberede en etch løsning av 1 M NaOH og 0,3 M K3Fe(CN)624. Electrochemically etch en 6 mm stripe av molybden bort for å sette inn en mønstret tilbake kontakt.
    Merk: På denne måten solenergi har et veldefinert område, uten solcelle områder dekket av de gullbelagte kontaktene, som fortsatt delvis kan bidra til den elektriske parametere.
  5. Plasser prøven i et vakuum kammer og sette inn et 2 µm tykt CIGS absorber lag en coevaporation prosess under en kobber, indium, gallium og selen atmosfære25.
    1. For eksempel bruker typisk substrat temperaturer 550 til 600 ° C og følge tretinns deponering prosessen, første danner (i, Ga)2Se3 av fordampning indium, gallium og selen, etterfulgt av dannelsen av en kobber rik CIGS skyldes tillegg av store mengder av kobber. Slå av kobber fordamperen til nødvendige kobber-fattige CIGS absorber i den tredje fasen.
    2. Alternativt bruke en totrinns deponering med lufttrykk for en rimelig prosess. Utføre CuInGa avsettelse, ved vakuum sputtering eller ved atmosfærisk trykk elektrokjemiske deponering. Følg dette ved selenization under en elementær selen atmosfære26 i bevegelse belte selenization ovn.
  6. Plasser prøven i en kjemisk bad og innskudd CDer bufferen ved en "kjemisk bad deponering" (CBD) prosessen med en tykkelse på 50 nm27. Vanligvis bruker en vannbasert løsning av NH4OH, CdSO4og thiourea (NH2CSNH2) ved en temperatur på ~ 70° C.
  7. Plasser prøven i et sputtering verktøy og innskudd i-ZnO / ZnO:Al foran kontakt av radiofrekvens (RF) sputtering fra i-ZnO og ZnO:Al mål med tykkelser på henholdsvis 50 nm og 800-1000 nm28.
    1. For jeg-ZnO målrette bruk et lag av ren ZnO mål og bruk en ZnO keramisk med 2% Al2O3 for det ZnO:Al laget. Bruk deponering temperaturer mellom romtemperatur og 200 ° C. Unngå bruk av et ledende metall rutenett i topp elektroden, ikke brukes i kommersielle moduler. Bruk derfor dette relativt tykk ZnO:Al laget for å tillate nok ledningsevne i disse cellene som etterligner en modul design.
  8. Nøye skrap bort en stripe 14 mm (på motsatt side av etsning i trinn 1.4) solenergi med kniv.
    1. Ved å gjøre bruk av forskjellen i hardhet av lagene, fjerne bare den øverste lag (ZnO:Al / i-ZnO/CDer/CIGS) og la molybden tilbake kontakt intakt. Skjemaet solceller med en bredde på 5 mm, ligner på bredden på en celle i en modul.
  9. Plasser prøven i et gull sputtering verktøy og dekke det med en stripe i midten som en maske, slik at ingen gull er avsatt på solenergi. Innskudd Gullkontaktene av ~ 60 nm tykkelsen av sputtering ved romtemperatur både tilbake kontakten (molybden) og foran kontakten (ZnO:Al) for å tillate kontakter i cellene.
    Merk: Bruk av en kontakt av noble metall kan langvarig eksponering av prøvene for harde forhold uten degradering av kontaktene, slik at cellen nedbrytning kan studeres.
  10. Skjær strimler med glass kniv eller en diamant penn i 7 mm bredt utvalg, som nå har en celleoverflaten av ~ 7 x 5 mm og en total størrelse på 7 x 25 mm (figur 2).
    Merk: En skjematisk fremstilling av tverrsnittet og en mikroskopi bilde av en celle vises i figur 2. For eksperimenter med CZTS solceller, har en annen deponering prosedyre for aktive absorber laget (CZTS) fulgt (tilsvarende referanse29), mens alle andre lag avsatt en analog fremgangsmåten.

Figure 2
Figur 2 : CIGS prøve design. (øverst) Skjematisk fremstilling av tverrsnittet CIGS eksempel og (nederst) et mikroskop-bilde av CIGS en prøve tatt fra toppen. Dette tallet er delvis endret referanser14,30. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

2. analyse av solcellene før degradering

  1. Måle ex situ gjeldende spenning (IV) ytelsen til solcellene under standard testforhold (STC, belysning: 1000 W/m² og er 1.5, temperatur: 25 ° C) i fire punkt sonde konfigurasjon å bestemme elektrisk parameterne med en IV tester.
    1. Måle eksterne quantum effektivitet (EQE) for den nøyaktige nåværende tetthet og bølgelengde avhengige absorpsjon30,31 med spektral svar (SR) oppsett og beregne den nøyaktige nåværende tettheten.
  2. Registrere den opplyste låsbare termografi (ILIT) kartlegging31 og de photoluminescence (PL) kartlegging31 med stor forstørrelse og ta (mikroskopi) bilder til å identifisere eventuelle visuelle og lateral feil.
    1. Plass prøven under en ILIT enhet med varme detektor med en 15 µm linse for forstørring og en IR belysning kilde. Belyse prøven og registrere den romlige temperaturforskjell å identifisere oppvarmet plasseringen.
    2. Plass prøven under en kartlegging PL oppsett for å oppnå en romlig photoluminescence bilde. Bruk en høy makt LED-lyskilde for belysning og et CCD kamera for data gjenkjenning.
      Merk: Eksempler finnes i referanser15,16,20,30.
  3. Velg en rekke solceller for degradering eksperimentet, mens plassere resten av prøvene i en argon glovebox'en som referanse. Velg et blandet solceller som referanse og som eksperimentelle prøver, så noen forskjell i den fullstendige lysbilder (f.eks graderinger i komposisjon) i samme alvorlighetsgraden i eksperimentet og referanse prøver.
    Merk: Dette kan for eksempel bety at celler med posisjoner 1, 3, 4, 5, 7 og 8 på lysbildene er eksperimentell celler, mens 2 og 6 er referanse celler.

3. plassering av solcellene til eksempel holdere

  1. Plass solcellene i eksemplet holdere som ikke kastet en skygge på cellene og gjøre kontakten mellom gull foran og bak kontakter og måling pinner.
    Merk: Utvalg innehaverne er spesielt utformet til å tåle de tøffe forholdene under klima testene. Dessuten, de er konstruert av materialer som har bare begrenset askepartikler.
  2. Plass prøven innehaverne på prøven stativet inne CSI stilling, som tillater elektrisk kontakt mellom solcellene og måleverktøyene utenfor oppsettet. Montere eksempel på dedikerte posisjon, der det vil være opplyst av AM 1.5 lys kilde.
    Merk: Lyskilde spesifikasjonene er som følger. CSI1: 40 cm x 40 cm området, 1000 W/m2, BAA kalibrert belysning; CSI2: 100 x 100 cm2 området, 1000 W/m2, AAA kalibrert belysning, kalibreringer etter IEC60904-9:200732.

4. gjennomføring av nedbrytning eksperimentet

  1. Slå på solenergi simulatoren, måleutstyr, klima kammeret og datamaskinen.
  2. Programmet måling datamaskinen, som styrer den solar simulator, elektriske skjevheter og klima kammer innstillinger. Definere spenningsområde, spenning trinn, måling sekvensen og tiden mellom målene på IV måling programvaren, og Definer temperatur, fuktighet, bias spenning og belysning profiler i programvaren.
    Merk: La denne programvaren styrer målene under hele eksperimentet.
    1. Vanlige innstillinger for IV målingene, bruke spenning mellom-0.2 V +1.0 V i 120 trinn (0,01 V/trinn). Merk at i de fleste tilfeller, veksler systemet mellom IV målinger av alle prøver og pauser av rundt 5 minutter.
  3. Stabilisere temperaturen på klima kammeret og solceller i oppsettet. Observere eksempel temperaturen i programvaren.
    Merk: En typisk temperatur for solcellene er 25 ° C, hvilke er STC temperatur. Siden belysning varmes opp prøvene, er prøve temperaturen alltid høyere enn omkringliggende kammeret. Typisk Start temperaturer på klima kammeret er-10 ° C til + 5 ° C (+ 5 ° C kammertemperatur kan for eksempel føre til CIGS eksempel temperaturer på 25 ° C). Hvis andre eksempel design eller komposisjoner er valgt, kan andre kammeret temperaturer må hente 25 ° C eksempel temperatur.
  4. Varme klima kammeret langsomt til den når 85 ° C, for eksempel på 0.1-0.3 ° C/min. Les kammertemperaturen fra klima kammer datamaskinen og lese eksempel temperaturen fra programvaren.
    Merk: Typiske eksempler temperaturer er deretter mellom 100 ° C og 110 ° C når kammeret er 85 ° C. Disse verdiene varierer mellom prøvene, og er særlig påvirket av hvilken substrat, prøve holderen design og materiale og solar cellen selv. I denne fasen er cellene åpen krets forhold når de ikke måles, med mindre nevnt annerledes. Hvis påvirkning av skjevheter interne spenning under oppvarming scenen må utelates, kan belysning også være av i denne fasen.
    1. For CSI1, fester du en personlige thermocouple på alle individuelle celler til å måle temperaturen, mens i CSI2 bruk 15 thermocouples for 32 prøver. Registrere og logge individuelle temperaturen.
  5. Automatisk måle den gjeldende spenning kurver av solcellene ettall under oppvarming, som betyr at de er bestemt hver 0,5 til flere minutter, avhengig av antall eksempler. Observere elektrisk parameterne i programvaren.
    1. Beregne elektrisk parameterne fra gjeldende spenning kurvene. Alltid bestemme effektivitet, åpen krets spenning, kortslutning nåværende tetthet, fyllfaktor, serien motstand, og overføre motstand. Bestemme motstand fra bakkene på slutten av gjeldende spenning kurvene.
    2. Eventuelt også bestemme ideality faktor, metning nåværende tetthet og foto nåværende tetthet av passer med en diode-modellen14.
      Merk: Merk imidlertid at disse passende prosedyrer er relativt upålitelige for degradert solceller som ikke fungerer som ideelt dioder. Effektiviteten målt ved disse høye temperaturer vil være lavere enn under STC, som er mest synlig i en reduksjon i åpen krets spenning13.
  6. Slå på fuktigheten i klima kammeret er en standardinnstillingen luftfuktigheten (RH) 85%. Dette er vanligvis startpunktet for eksperimentet (t = 0 h). Observere RH fra klima kammer datamaskinen.
    Merk: Faktisk prøve relativ fuktighet er lavere enn den angitte verdien. Dette skyldes det faktum at prøven temperaturen er høyere enn 85 ° C, mens absolutte luftfuktigheten er den samme: siden relativ fuktighet er en funksjon av temperaturen, denne verdien er lavere enn 85% RH33.
  7. La prøvene i CSI oppsett for 100s til 1,000 s av timer, mens å måle den gjeldende spenning kurver. Måle kurvene hvert 5-10 min, men varierer dette på forespørsel. Observere elektrisk parameterne i programvaren.
    1. I den gjenværende tiden, holde prøvene enten under åpen krets forhold (standard betingelser) eller plassere dem under diverse elektriske skjevheter med bruk av elektriske lastene, varierende fra V -20 til +20 V. I tilfelle en modifikasjon av elektriske bias kreves under eksperimentet, endrer du angi verdien i tracer programvare.
      Merk: Normalen '' innfatningene er det maksimum makt punkt (MPP) forhold (operasjon spenning og strøm av en solcelle) kortslutning vilkår og forhold med en begrenset negativ spenning. Bruk sistnevnte simulere delvis modul skyggelegging.
  8. Hvis du vil vite mer om prøver etter ulike eksponeringstider, fjerne et begrenset antall prøver prøve innehaverne fra oppsettet før de andre. Utføre dette under belysning og på en veldig rask måte for å minimalisere påvirkning på gjenværende prøvene. Dette er naturligvis bare mulig for små.
  9. På slutten av eksperimentet, kule i kammeret til romtemperatur sakte i noen timer og fjern prøvene sammen med sine eksempel eiere. Observere temperaturen fra klima kammer datamaskinen.
    Merk: Det er også mulig å bruke andre lett intensitet (f.eks, 800 M/m2 eller ultrafiolett lys), mens fuktigheten og temperaturen kan naturligvis også varieres. I så fall bør innhentet elektrisk parameterne korrigeres for ulike lysintensiteten. Det ble observert at uventede endringer i elektriske parametere oppstod under CIGS solceller ble snart (f.eks, 15 min) ikke opplyst (og oppvarmet av belysning kilde). Hvis dette ikke er målet av studien, anbefales det å la på belysning kontinuerlig14.

5. analyse av degradert og referere til celler

  1. Tegne utviklingen av elektriske parameterne som en funksjon av tiden i fornedrelse oppsett.
  2. Gjenta ex situ IV målinger av degradert solcellene direkte etter prøvene er fjernet fra oppsett å få elektrisk parameterne på STC. Gjenta eksterne quantum effektivitet målene for nøyaktig nåværende tetthet og bølgelengde-avhengige absorpsjon.
  3. Registrere igjen opplyst låsbare termografi kartlegging og photoluminescence kartlegging, og ta (mikroskopi) bilder å identifisere endringer i visuell og lateral. Bruke de samme innstillingene som før degradering.
  4. Bruke andre analyseteknikker, som (tverrsnitt) Scanning elektron mikroskop-energi dispersiv X-ray spektroskopi (SEM-EDX)31, røntgen Diffraksjon (XRD)31, sekundær Ion masse Spectroscopy (SIMS)31og temperatur avhengig av gjeldende spenning (IV(T))31 å identifisere ytterligere feil mekanismer.
    1. Utføre disse destruktive analyser på begge degradert og referanse prøver å observere endringene skyldes eksponering i CSI-oppsett.

6. definisjon av nedbrytning mekanismer og modi

  1. Kombinere alle dataene for å definere fornedrelse mekanismer og deres innvirkning på langsiktig stabilitet av solceller eller moduler.

Representative Results

CSI oppsett har blitt brukt i en rekke eksperimenter. Eksperimenter har både fokusert på påvirkning på cellen eller modulen komposisjon og design samt påvirkning av nedbrytning. Noen eksempler på utviklingen av elektriske parametere vises i følgende figurer. Mål i Figur 3, figur 5, figur 6og figur 7 ble tatt på CSI1, mens Figur 4 ble oppnådd i CSI2. I disse tallene, det er valgt å skildre enten enheten effektiviteten, åpen krets spenning eller shunt motstand, men andre parametere kan naturligvis også tegnes.

Figur 3 og Figur 4 viser påvirkning av nedbrytning på stabilitet av lut-rik CIGS solceller uten en fuktighet barriere eller annet pakken materiale. Figur 3 viser at disse cellene brytes ned når de utsettes for lys, varme og fuktighet, mens de er nesten stabil i fravær av fuktighet. Dette indikerer at disse solceller eller analoge moduler kan være helt stabilt når godt pakket mot fuktighet15. Potensielle pakken materialer naturlig inkludere glass, men også fleksibel barrierer, som er ofte basert på organisk-uorganiske multi stabler15. I senere eksperimenter, vil disse mulighetene også bli testet. Disse resultatene indikerer også at denne pakken stoffet er nødvendig i et varmt og tørt klima. Figur 4 viser påvirkning av en bias spenning når de utsettes for fuktig varme og belysning: disse foreløpige resultatene indikerer at en lav negativ spenning (-0.5 V, grå kurver) sannsynligvis har en mer negativ effekt på stabilitet enn kortslutning, åpen krets, og MPP betingelser18.

Figure 3

Figur 3 : Påvirkning av fuktighet på CIGS solcelle stabilitet. Utviklingen av effektiviteten av emballert CIGS solceller som en funksjon av eksponering tid å belysning plus tørr varme (rød) og fuktig varme (blå) tatt ved forhøyet temperatur. Hver linje representerer en solcelle. Dette tallet er endret fra referanse15. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figure 4
Figur 4 : Påvirker elektriske lastene CIGS solcelle stabilitet. Utviklingen av effektiviteten av emballert celler som en funksjon av tid på ulike spenninger pluss fuktig varme og belysning. Grå, blå, grønn og rød kurver viser eksponering for-0.5 V, 0 V ~ VMPPog åpen krets forhold, henholdsvis. Disse parameterne er oppnådd ved høye temperaturer, mens romtemperatur effektiviteten er rundt 50% høyere. Hver linje representerer en solcelle. Dette tallet er endret referanse18. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

På grunn av treg oppvarming (0.1-0.3 ° C/min) under oppvarmingstiden og sanntid målinger, at disse oppsettene også automatisk bestemmelse av temperatur avhengighet av solceller. Figur 5 viser avhengigheten av åpen krets spenninger som hentes fra oppvarming kurvene før fornedrelse eksperimenter. Denne grafen viser at forskjeller mellom åpen krets spenning (Voc) temperatur avhengighet av ulike CIGS solceller, mens andre parametere som serien motstand og kortslutning gjeldende (ikke avbildet) displayet enda større forskjeller mellom celler. Utviklingen av andre parametere kan finnes i referanse34.

Figure 5
Figur 5 : Temperatur avhengighet av CIGS solceller. Temperatur avhengighet av åpen krets spenning (Voc) av to emballert CIGS solceller. Fargene angir forskjellige solcelle design: blå rutene representerer prøver med celle design og deponering prosedyren som beskrevet ovenfor. De røde sirklene angir en ikke-pakket CIGS solenergi celle på polyimid (pi) folie med dempere med ion-beam assistert coevaporation. Hver linje representerer en solcelle. Dette tallet er endret fra referanse34. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Figur 6 viser at små forskjeller i sammensetningen av solceller kan ha stor innflytelse på enheten stabiliteten. Dette eksperimentet viste at lut-rik prøver som inneholder store mengder av natrium og kalium hadde en høyere opprinnelige effektivitet, men de også degradert raskere. På den annen side, ble nesten stabil emballert solceller som inneholdt bare små mengder av lut-elementer ("lut-fattige" eksempler) også produsert. Disse solceller var dermed nesten egentlig stabil og trenger ikke beskyttende materiale. Basert på denne informasjonen sammen med ex situ analyseresultater, de viktigste fornedrelse mekanismene for disse prøvene kan identifiseres: det ble observert at den viktigste driveren effektivitet-tapet av lut-rik prøvene var en skarp nedgang i overføre motstand16. Dyptgående analyse av egenskapene til disse cellene vises at overføringen av lut-elementer, mer spesifikt natrium, syntes å føre denne nedgangen. Mer informasjon presenteres i referanser16,20. Senere stadier av denne studien mål å utvikle solceller med stabiliteten av lut-fattige prøvene, og den første høyeffektiv lut-rik prøvene.

Figure 6
Figur 6 : Påvirkning av lut-innholdet på CIGS solcelle stabilitet. Utviklingen av effektiviteten (venstre) og shunt motstand (til høyre) av to typer emballert CIGS solceller utsatt for fuktig varme og belysning. Rosa og lilla linjene representerer lut-fattige utvalgene, mens de blå linjene representerer lut-rik prøvene. Verdiene ble oppnådd ved høye temperaturer, mens romtemperatur effektivitet er 30-80% høyere. Hver linje representerer en solcelle. Dette tallet er endret fra referanse16. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Et siste eksempel fokuserer på ulike CZTS prøver19. Figur 7 viser at ulike typer emballert solceller vise en annen IV atferd under fuktig varme og belysning. Det bør bemerkes at disse celler ikke er ideelt solceller, så økningen i effektivitet og spenning som vises i denne illustrasjonen er sannsynligvis ikke representant for CZTS solceller generelt og ingen forklaring kan gis for dette. Flere studier må utføres for å gi pålitelig uttalelser om stabiliteten til disse cellene.

Figure 7
Figur 7 : CZTS solceller utsatt for fuktig varme pluss belysning. Utviklingen av normalisert åpen krets spenning og effektiviteten av fire ikke-optimalisert emballert CZTS solceller som funksjon av tiden, utsatt for fuktig varme og belysning tatt ved høye temperaturer. Hver farge viser en annen type CZTS solcelle. Hver linje representerer en solcelle. Dette tallet er endret referanse19. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.

Discussion

To CSI oppsett for sanntids overvåking av elektriske parameterne for solceller og moduler er utviklet og konstruert. Disse oppsettene tillate samtidig eksponering for fuktig varme og belysning elektrisk biases, mens også i situ bestemme parameterne IV av PV enheter. Disse oppsettene har blitt brukt til å studere påvirkning av miljømessige påkjenninger (fuktighet, belysning, elektriske skjevheter og temperatur) og celle eller modulen sammensetningen på langsiktig stabilitet av emballert solceller. Figur 3, Figur 4, figur 5, figur 6og figur 7 viser et utvalg av resultatene med disse oppsettene.

Stabilitet resultater (Figur 3, Figur 4, figur 6og figur 7) fra presentert studier bør alltid behandles med forsiktighet: for å gjøre oversettelsen fra disse studiene modul stabilitet, begrensninger av alle akselererte levetid tester på stabiliteten av PV enheter (inkludert denne studien) bør tas i betraktning. Disse begrensningene er forårsaket av det faktum at forholdene i laboratoriet er ment å raskt identifisere fornedrelse mekanismer, mens noen degradering mekanismer ikke kan finnes på grunn av valg av feil (alvorlighetsgraden av) påkjenninger. Videre kan valgte betingelsene også føre til nedbrytning mekanismer og påfølgende feil ikke oppstår i feltet eller forekomme innen før eller etter forventet tidsramme. Mens for eksempel for fuktig varme forhold (85 °C/85% RH), en akselerasjon faktor av 219 antas, referanse25 viste at dette er ofte ikke-lineære og kan variere i CIGS moduler mellom 10 og 1 000, og for ulike fornedrelse mekanismer.

For å beregne gyldigheten av presenterte resultatene, de viktigste forskjellene mellom feltet modulen bør eksponering og presentert eksperimenter tas i betraktning:

a. brukte laboratorium er mer alvorlig enn feltforhold, som er en iboende behov for akselerert testing. Videre er forholdene i disse eksperimentene hovedsakelig konstant, mens moduler i feltet vil bli utsatt for kontinuerlig skiftende forhold.

b. i presentert eksperimentene, ble ikke-pakket solceller brukt. Naturligvis vil barriere og tetningsmasser til kanten spille en viktig rolle i enheten stabilitet (særlig i fuktige forhold). Dessuten påvirkning av samtrafikk og innkapsling materialer er også svært viktig og bør ikke bli neglisjert. Gjerne, eksperimenter med pakket og sammenhengende mini-moduler er også mulig i disse oppsettene.

c. grunn til belysning, ble eksperimenter i Figur 3, figur 5, figur 6og figur 7 henrettet under åpen krets forhold når IV kurvene ikke ble registrert. Imidlertid skal moduler fungere under MPP forhold, mens cellene kan også bli utsatt snus bias forhold ved delvis modul skygge. Figur 4 viser at bare begrenset forskjeller mellom MPP og åpen krets forhold ble observert i bestemte eksperimentet, men som kan være forskjellig for andre celler eller betingelser.

d. sammensetningen av solcellene CIGS har stor innflytelse på langsiktig stabilitet. Eksempler på studier på påvirkning av sammensetningen på stabiliteten kan for eksempel finnes i referanser16,20. Siden den nøyaktige naturen ved påvirkning av mange små endringer i solcelle-stakken ikke er ennå identifisert, kan det oppstå fornedrelse raskere eller langsommere enn forventet.

De ovennevnte faktorene indikerer at et stort antall akselererte levetid studier med variasjon i dårligere forhold og prøve komposisjon kreves virkelig forutsi modul feltet ytelse. Videre bør disse resultatene derfor kombineres med feltstudier å oppnå komplett om langsiktig stabilitet PV moduler.

Imidlertid foreslår vi at oppsett i denne studien er betydelige forbedringer i forhold til standard IEC testene, på grunn av den kombinerte stress eksponering samt i situ overvåking. Disse egenskapene sterkt forbedre prediktiv akselererte levetid eksperimenter og øke vår forståelse av nedbrytning mekanismer. De fire viktigste fordelene sammenlignet 'standard' (f.eksIEC 61215) tester er følgende funksjoner:

a. Testing under eksponering kombinert stress (dvs., temperatur, fuktighet, belysning og elektriske biases).

b. Tuning av kombinerte stress for å simulere lokale klima (f.eks, ørkenen eller polare).

c. tuning av elektriske biases, f.ekså simulere effektene av delvis skyggelegging.

d. sanntids overvåking enhet ytelse, slik at enklere og raskere testing samt bedre prediksjon eller begrensning av nedbrytning mekanismer på grunn av en økt kunnskap.

e. redusert testing tid, siden en test kan stoppes rett etter har en feil oppstått, i stedet for etter definerte testperioden (f.eks, 1000 h).

Derfor er det foreslått at levetid studier med presentert oppsett kan forbedre kvalitative og kvantitative forståelse og prediksjon av langsiktig stabilitet av solceller og moduler. I fremtiden, en setup tilbyr 'Kombinert stresstester med i situ mål' (CSI) for full skala moduler vil bli utviklet: oppsett med opplyste områder av 40 cm x 40 cm og 100 cm x 100 cm er for små for full størrelse PV moduler, så planlegger å øke den omfanget av dette kombinert stress måling konseptet er i gang.

Disclosures

Forfatterne Erik Haverkamp (ReRa Solutions), Stefan Roest (evig Søn) og Peter Hielkema (Hielkema Testequipment) er ansatt av konsortiet kommersialisere disse oppsettene. Arbeidsgiver oppfinnerne av disse oppsett (forfattere Mirjam Theelen og Henk Steijvers (TNO)) inneholder en lisensavtale med denne konsortium.

Acknowledgments

Forfatterne vil takke Miro Zeman (Delft University of Technology) og Zeger Vroon (TNO) for fruktbart diskusjonene. Kyo Beyeler, Vincent Hans, Ekaterina Liakopoulou, Soheyl Mortazavi, Gabriela de Amorim Soares (alle TNO), Felix Daume (Solarion) og Marie Buffière (IMEC) er anerkjent for eksempel avsetning og analyse og lange diskusjoner. Videre vil vi gjerne takke alle ansatte fra evig solen, Hielkema Testequipment, og ReRa løsninger og mer spesifikt Robert Jan van Vugt, Alexander Mulder og Jeroen Vink for deres bidrag.

Disse studiene ble utført under prosjektnummeret M71.9.10401 i rammen av forskningsprogrammet av materialer innovasjon institute M2i, TKI IDEEGO prosjektet tillit, prosjektet PV OpMaat, finansiert av grenseoverskridende samarbeid programmet Interreg V Flandern-Nederland med økonomisk støtte av europeisk Regional utvikling og programmet TNO 'Technologie zoekt Ondernemer'.

Materials

Name Company Catalog Number Comments
Hybrid degradation setup Eternal Sun Climate Chamber Solar Simulator More information can be found here: http://www.eternalsun.com/products/climate-chamber/
Sample holders ReRa Solutions More information can be found here: https://www.rerasolutions.com/
Sample rack Demo Delft More information can be found here: http://www.demo.tudelft.nl/
Gold deposition tool Polaron Equipment LTD SEM coating unit E5100 Tool for Au deposition for SEM measurements
Tracer IV software ReRa Solutions More information can be found here: https://www.rerasolutions.com/product/tracer-iv-software/
Solar cells Solliance More information can be found here: http://www.solliance.eu. 
Solar cells and modules can also be obtained from many other universities, research institutes and companies
PL mapping setup GreatEyes LumiSolarCell
ILIT mapping setup Infratec ImageIR camera and Sunfilm IR lens
Optical microscopy Leica Wild M400 coupled with a Leica DFC 320 camera and Leica Application Suite software, version 4.3.0
IV tester OAI OAI TriSol Solar Simulator coupled with a Keithley SourceMeter 2400 and controlled using IV runner software, version 1.4.0.6.
EQE tester Homemade

DOWNLOAD MATERIALS LIST

References

  1. Jordan, D., Kurtz, S., VanSant, K., Newmiller, J. Compendium of Photovoltaic degradation rates. Prog. Photovolt. 24 (7), 978-989 (2016).
  2. Pingel, S., et al. Potential induced degradation of solar cells and panels. Proc. 35th IEEE PVSC. , 2817-2822 (2010).
  3. Lindroos, J., Savin, H. Review of light-induced degradation in crystalline silicon solar cells. Sol. Energ. Mat. Cells. 147, 115-126 (2016).
  4. Theelen, M., Daume, F. Stability of Cu(In,Ga)Se2 solar cells: A literature review. Solar Energy. 133, 586-627 (2016).
  5. Malmström, J., Wennerberg, J., Stolt, L. A study of the influence of the Ga content on the long-term stability of Cu(In,Ga)Se2 thin film solar cells. Thin Solid Films. 431-432, 436-442 (2003).
  6. Wennerberg, J., Kessler, J., Stolt, L. Degradation mechanisms of Cu(In,Ga)Se2-based thin film PV modules. Proc. 16th EUPVSEC. , 309-312 (2000).
  7. Feist, R., Rozeveld, S., Kern, B., D'Archangel, J., Yeung, S., Bernius, M. Further investigation of the lifetime-limiting failure mechanisms of CIGSS-based minimodules under environmental stress. Proc. 34th IEEE PVSC. , 2359-2363 (2009).
  8. Sharma, V., Chandel, S. Performance and degradation analysis for long term reliability of solar photovoltaic systems: A review. Renew. Sustainable Energy Rev. 27, 753-767 (2013).
  9. PV, Module Certification for new Standards and new Technologies. Fraunhofer ISE. , Available from: https://www.ise.fraunhofer.de/content/dam/ise/de/documents/infomaterial/brochures/photovoltaik/flyer-pv-module-certification-for-new-standards-and-new-technologies.pdf (2017).
  10. Osterwald, C., McMahon, T. History of Accelerated and Qualification Testing of Terrestrial Photovoltaic Modules: A Literature Review. Prog. Photovolt. 17, 11-33 (2009).
  11. Carlsson, T., Brinkman, A. Identification of degradation mechanisms in field-tested CdTe modules. Prog. Photovolt. 14, 213-224 (2006).
  12. Jordan, D., Kurtz, S., VanSant, K., Newmiller, J. Compendium of photovoltaic degradation rates. Prog. Photovolt. 24, 978-989 (2016).
  13. Theelen, M., Tomassini, M., Steijvers, H., Vroon, Z., Barreau, N., Zeman, M. In situ Analysis of the Degradation of Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells. Proc. 39th IEEE PVSC. , 2047-2051 (2013).
  14. Theelen, M., et al. Accelerated performance degradation of CIGS solar cell determined by in situ monitoring. Proc. SPIE 9179. , (2014).
  15. Theelen, M., Beyeler, K., Steijvers, H., Barreau, N. Stability of CIGS Solar Cells under Illumination with Damp Heat and Dry Heat: A Comparison. Sol. Energ. Mat. Sol. Cells. , (2016).
  16. Theelen, M., Hans, V., Barreau, N., Steijvers, H., Vroon, Z., Zeman, M. The impact of sodium and potassium on the degradation of CIGS solar cells. Prog. Photovolt. 23, 537-545 (2015).
  17. Theelen, M., Hendrikx, R., Barreau, N., Steijvers, H., Böttger, A. The effect of damp heat - illumination exposure on CIGS solar cells: a combined XRD and electrical characterization study. Sol. Energ. Mat. Sol. Cells. 157, 943-952 (2016).
  18. Theelen, M., et al. The Exposure of CIGS Solar Cells to Different Electrical Biases in a Damp-heat Illumination Environment. Proc 43rd IEEE PVSC. , 0929-0934 (2016).
  19. Theelen, M., et al. In situ monitoring of the accelerated performance degradation of thin film solar cells. Proc. 42th IEEE PVSC. , 1-6 (2015).
  20. Theelen, M., Barreau, N., Steijvers, H., Hans, V., Vroon, Z., Zeman, M. Degradation of CIGS solar cells due to the migration of alkali elements. Proc. 42th IEEE PVSC. , 1-6 (2015).
  21. In situ monitoring of the degradation of CIGS solar cells. , Available from: https://www.youtube.com/watch?v=Zmy5tb-2NK8 (2017).
  22. Hybrid degradation testing of solar cells and modules. , Available from: https://www.youtube.com/watch?v=tEsvkTco-To (2017).
  23. Theelen, M., et al. Influence of Mo/MoSe2 microstructure on the damp heat stability of the Cu(In,Ga)Se2 back contact molybdenum. Thin Solid Films. 612, 381-392 (2016).
  24. Hovestad, A., Bressers, P., Meertens, R., Frijters, C., Voorthuijzen, W. Electrochemical etching of molybdenum for shunt removal in thin film solar cells. J. Appl. Electrochem. 45 (7), 745-753 (2015).
  25. Couzinie-Devy, F., Barreau, N., Kessler, J. Re-investigation of preferential orientation of Cu(In,Ga)Se2 thin films grown by the three-stage process. Prog. Photovolt. 19, 527-536 (2011).
  26. Schmidt, S., et al. Adjusting the Ga grading during fast atmospheric processing of Cu(In,Ga)Se2 solar cell absorber layers using elemental selenium vapor. Prog. Photovolt. , (2017).
  27. Contreras, M., et al. Optimization of CBD CdS process in high-efficiency Cu(In,Ga)Se2-based solar cells. Thin Solid Films. 403-404, 204-211 (2002).
  28. Theelen, M., et al. Physical and chemical degradation behavior of sputtered aluminum doped zinc oxide layers for Cu(In,Ga)Se2 solar cells. Thin Solid Films. 550, 530-540 (2014).
  29. Brammertz, G., et al. Characterization of defects in 9.7% efficient Cu2ZnSnSe4-CdS-ZnO solar cells. Appl. Phys. Lett. 103 (16), 163904 (2013).
  30. Theelen, M. Degradation of CIGS solar cells. Ipskamp Drukkers. , (2015).
  31. Abou-Ras, D., Kirchartz, T., Rau, U. Advanced Characterization Techniques for Thin Film Solar Cells. , Wiley-VCH. (2011).
  32. Wolhgemuth, J. Standards for PV Modules and Components - Recent Developments and Challenges. Proc. 27th EUPVSEC. , 2976-2980 (2012).
  33. Hyperphysics Relative Humidity. , Available from: http://hyperphysics.phy-astr.gsu.edu/hbase/kinetic/relhum.html (2017).
  34. Theelen, M., et al. Temperature Dependency of CIGS solar cells on soda lime glass and polyimide: a comparison. JRSE. , (2016).
  35. Coyle, D. Life prediction for CIGS solar modules part 1: modelling moisture ingress and degradation. Prog. Photovolt. 21 (2), 156-172 (2013).

Tags

Bioteknologi problemet 140 CIGS CZTS fuktig varme degradering elektriske lastene belysning i situ analyse overvåking solceller testing
<em>In Situ</em> Overvåking av akselerert ytelse degradering av solceller og moduler: en Case studie for Cu (i, Ga) Se<sub>2</sub> solceller
Play Video
PDF DOI DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite this Article

Theelen, M., Bakker, K., Steijvers,… More

Theelen, M., Bakker, K., Steijvers, H., Roest, S., Hielkema, P., Barreau, N., Haverkamp, E. In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells. J. Vis. Exp. (140), e55897, doi:10.3791/55897 (2018).

Less
Copy Citation Download Citation Reprints and Permissions
View Video

Get cutting-edge science videos from JoVE sent straight to your inbox every month.

Waiting X
Simple Hit Counter