In Situ Überwachung von der beschleunigten Leistungsabfall von Solarzellen und Modulen: eine Fallstudie für Cu (In, Ga) Se2 Solarzellen

Diese Methode kann helfen, wichtige Fragen zur Zuverlässigkeit der Photovoltaik, zur kombinierten Wirkung von Beleuchtung, elektrischen Belastungen, Feuchtigkeit und Temperatur zu beantworten. Im Vergleich zu Standardtests zur Nicht-Stress-Zuverlässigkeit hat diese Methode die folgenden Vorteile:Exposition gegenüber kombinierten Spannungen, reduzierte Testzeit und Echtzeit-Leistungsüberwachung des Geräts. Die Kombination von Spannungen kann abgestimmt werden, um das lokale Klima zu simulieren, wie Polar- und Wüstenbedingungen.

Elektrische Verzerrungen können optimiert werden, um Effekte wie persönliche Schattierungen zu simulieren. Die Echtzeit-Leistungsmessung ermöglicht schnellere und einfachere Tests. Es lernt uns viel über den Prozess der Degradation und ermöglicht eine bessere Vorhersage oder Prävention der Abbaumechanismen, die in Geräten auftreten.

Die Demonstration des Verfahrens werden Hank Steijvers, Klaas Bakker und Karolien Saliou sein, alle aus Solliance. Um das Verfahren zu beginnen, legen Sie 0,5 Mikrometer Molybdän auf einem Sodakalkglassubstrat durch Gleichstrom-Sputterbeschichtung in einer Bilayer-Stack-Sequenz ab. Verwenden Sie dann eine Lösung aus einmolarem Natriumhydroxid und 0,3-molaren Kaliumferrocyanid, um einen sechs Millimeter breiten Streifen im Molybdän am Rand einer langen Seite elektrochemisch zu ätzen.

Als nächstes legen Sie eine zwei Mikrometer dicke CIGS-Absorberschicht durch Koevaporation in einer Vakuumkammer unter einer Kupfer-, Indium-, Gallium- und Selenatmosphäre ab. Legen Sie dann 50 Nanometer Cadmiumsulfid auf die Probe durch chemische Badabscheidung ab. Verwenden Sie hochfrequentes Sputtern, um 50 bis 65 Nanometer intrinsisches Zinkoxid und 80 bis 1 000 Nanometer Aluminium-dotiertes Zinkoxid auf der Probe abzulagern.

Verwenden Sie als Nächstes eine Klinge, um die oberen vier Schichten in einem 14 Millimeter breiten Streifen am nicht geätzten langen Rand der Probe zu entfernen, sodass der Molybdän-Rückenkontakt intakt bleibt. Zentrieren Sie eine Maske auf die Probe und sputtern Sie die Probenkanten mit 60 Nanometern Gold, um die Kontakte zu bilden, und schneiden Sie die Probe mit einem Glasschneider oder Diamantstift in sieben Millimeter breite Stücke und bilden so Proben mit sieben Millimeter mal fünf Millimeter Zelloberflächen. Sie können jedes gewünschte Gerät, jede Solarzelle, jedes Modul testen, solange Sie sie zuverlässig kontaktieren können.

Dies erfordert Kontakte aus stabilen Materialien wie Gold. Andernfalls testen Sie möglicherweise die Stabilität Ihrer Kontakte anstelle Ihrer Geräte. Als Nächstes messen Sie die Ex-situ-Stromspannungsleistung der Probensolarzellen unter Standardbedingungen in einer Vier-Punkt-Sondenkonfiguration.

Platzieren Sie dann eine Probe unter einem beleuchteten Einsperr-Thermografiegerät mit IR-Beleuchtung und einem 15-Mikron-IR-Kameraobjektiv. Beleuchten Sie die Probe und kartieren Sie die räumlichen Temperaturunterschiede. Verwenden Sie diese Verwendung, um nützliche und fehlerhafte Beispiele zu identifizieren.

Legen Sie die Probe anschließend unter ein Photolumineszenz-Mapping-Instrument mit einer Hochleistungs-LED und zeichnen Sie ein räumliches Photolumineszenzbild auf. Sie sollten auch mehrere andere Analysetechniken verwenden, einschließlich Elektrolumineszenz, Spektrophotolumineszenz, externe Quanteneffizienzmessungen und Mikroskopie. Basierend auf diesen Messungen vor und nach Expositionen können die Abbaumechanismen bestimmt und mit den Vorbelichtungseigenschaften verknüpft werden.

Bewerten Sie jede Probe auf visuelle und seitliche Defekte auf diese Weise. Speichern Sie mindestens zwei nicht benachbarte Proben in einer argongefüllten Handschuhbox als Referenzen. Montieren Sie die nicht referenzierten Solarzellen in Probenhaltern, die keine Schatten auf die Zellen werfen.

Stellen Sie sicher, dass die Messstifte der Halterungen die vorderen und hinteren Goldkontakte der Proben kontaktieren. Platzieren Sie die Probenhalter auf dem Probenträger des CSI-Setups, um den elektrischen Kontakt zwischen den Solarzellen und den Messwerkzeugen zu ermöglichen. Verbinden Sie Thermoelemente mit den Proben.

Positionieren Sie das Probenregal für die Beleuchtung durch eine Luftmassenlichtquelle 1,5, und schalten Sie dann das Messgerät, die elektrischen Lasten und den Steuercomputer ein. Öffnen Sie die Messprotokollierungssoftware, um die Instrumente zu initialisieren und dann Beleuchtungsprofile für die Messungen zu entwerfen. Geben Sie als Nächstes die Probeninformationen ein, und wählen Sie das verknüpfte Thermoelement für jede Probenposition aus.

Legen Sie dann die Anfangsspannung, die Endspannung und die Anzahl der Schritte für die Stromspannungsmessungen fest. Legen Sie die Autosave-Positionen für die aktuellen Spannungsdaten fest. Definieren Sie bei Bedarf elektrische Verzerrungen für die Proben.

Erstellen Sie dann eine Messsequenz, und fügen Sie die entsprechenden Beispielpositionen hinzu. Stellen Sie die Wartezeit zwischen den Sequenzen im Fenster Automatische Messung ein, gefolgt von einer schnellen Erhöhung auf 85 % relative Luftfeuchtigkeit, starten Sie dann die Klimakammersequenz, schalten Sie die Beleuchtung ein, wechseln Sie zum Überwachungsfenster und starten Sie die Aufzeichnung von Stromspannungsmessungen. Überwachen Sie die Kammer- und Probentemperaturen während der Rampe auf 85 Grad Celsius.

Vergewissern Sie sich, dass die elektrischen Parameter protokolliert und Stromspannungskurven generiert werden. Sobald die Kammer 85 Grad Celsius erreicht hat, bestätigen Sie, dass die Kammerfeuchtigkeit auf 85% ansteigt. Lassen Sie die Proben im Gerät für Hunderte bis Tausende von Stunden, messen Sie die aktuellen Spannungskurven alle fünf bis zehn Minuten.

Passen Sie die elektrischen Verzerrungen, die während des Experiments auf die Proben angewendet werden, wie gewünscht an. Lassen Sie die Kammer am Ende des Experiments über mehrere Stunden auf Raumtemperatur abkühlen, bevor Sie die Proben entfernen. Zeichnen Sie die Änderungen der elektrischen Parameter in Abhängigkeit von der Belichtungszeit.

Entfernen Sie die Kaltproben aus der Kammer und wiederholen Sie umgehend die Ex-situ-Messungen. Führen Sie alle Messungen aus, die vor der Exposition verwendet wurden. Anschließend charakterisieren Sie sowohl die degradierten als auch referenzierten Proben mit Röntgenbeugung, sekundärer Ionenmassenspektroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, SEM, Röntgenphotoelektronenspektroskopie und anderen Techniken zur weiteren Untersuchung von Versagensmechanismen.

In diesem Beispiel zeigten Daten, die während des Temperaturrampen vor CIGS-Solarzellenabbauexperimenten aufgezeichnet wurden, dass die Leerlaufspannung je nach Temperatur variierte. Diese CIGS-Solarzellen verschlechterten sich in Ihrer Effizienz, wenn sie gleichzeitig Licht, Hitze und Feuchtigkeit ausgesetzt wurden. Ein minimaler Abbau wurde beobachtet, wenn die Solarzellen trockener Hitze und Licht ausgesetzt waren.

Hier wirkte sich eine niedrige Negativ-Bias-Spannung negativer auf die Stabilität der CIGS-Solarzellen aus als Kurzschluss, offener Stromkreis oder maximale Leistungspunktbedingungen bei feuchter Hitze und Licht. Eine Reihe von CIGS-Solarzellen mit hohem Natrium- und Kaliumgehalt zeigte zunächst hohe Wirkungsgrade, wenn sie bei feuchter Hitze beleuchtet wurden, aber sie verschlechterten sich schneller als Standardzellen. Zellen mit niedrigem Alkaligehalt blieben jedoch unter den gleichen Bedingungen relativ stabil.

Weitere Analysen ergaben eine entsprechende starke Abnahme der Shunt-Resistenz von alkalireichen Zellen, die auf die Migration von Natrium zurückgeführt wurde. Nach diesen Ergebnissen sollten die Geräte erneut gründlich analysiert werden. Auf der Grundlage dieser Ergebnisse können die Abbaumechanismen des Geräts bestimmt werden.

Diese Technik ermöglicht auch die Bestimmung des Abbauverhaltens von Full-Scale-Modulen.