Summary
2 ' 현장에서 측정으로 결합 된 스트레스 테스트 ' 설정, 태양 전지 및 모듈의 가속된 저하의 실시간 모니터링을 허용, 설계 그리고 건설. 이러한 설정 습도, 온도, 전기 편견의 동시 사용을 허용 하 고 조명 스트레스 요소를 독립적으로 제어. 설정 및 다양 한 실험 실행 되 게 됩니다.
Abstract
Levelized 비용 (LCOE) 태양광 (태양광 발전) 시스템의 전기의 태양광 모듈 신뢰성 다른 요인 중,에 의해 결정 됩니다. 저하 메커니즘의 더 나은 예측 및 모듈 필드 실패의 예방 수 있습니다 결과적으로 투자 위험을 줄일 뿐 아니라 전기 수율을 증가. 향상 된 지식 수준 줄일 수 있다 이러한 이유로 크게 태양광 발전 전기의 총 비용.
더 잘 이해 하 고 태양광 모듈의 저하를 최소화, 조건과 발생 저하 메커니즘을 식별 합니다. 이 모듈 분야에서 또한 동시에 여러 스트레스 요인에 노출 되는 이후 결합된 스트레스 아래 발생할 선호 한다. 따라서, 두 ' 결합 스트레스 테스트 현장에서 측정 된' 설정은 설계 고 건설 되었습니다. 이러한 설정을 태양 전지 및 minimodules에 독립적으로 제어 스트레스 요인으로 습도, 온도, 조명, 및 전기 편견의 동시 사용을 허용합니다. 설정 또한 이러한 샘플의 전기적 특성의 실시간 모니터링을 허용 합니다. 이 프로토콜이이 설정을 선물 하 고 실험 가능성에 설명 합니다. 또한, 이러한 설정으로 얻은 결과 또한 표시 됩니다: Cu 박막의 안정성 저하와 증 착 조건의 영향에 대 한 다양 한 예제 (In, Ga) Cu2ZnSnSe4 (CZTS)로 서 Se2 (CIGS) 태양 전지는 설명 합니다. CIGS 태양 전지의 온도 의존성에 결과 또한 제공 됩니다.
Introduction
태양광 발전 시스템은 신 재생 에너지의 비용 효율적인 형태로 간주 됩니다. PV 모듈 이러한 태양광 발전 시스템의 핵심을 나타내고 일반적으로 25 년 이상의 (예를 들어,이 기간 후에 최대 20% 효율 손실)1의 성능 보증 판매. 그것은 소비자와 이러한 보장 충족 하는 투자자의 신뢰에 대 한 중요 합니다. 전기 수확량 따라서 해야한다 안정적이 고 높은 가능한 통해 최소한 원하는 모듈 수명. 이것은 느리지만 꾸준히 저하2 와 예 생산 오류로 인해 발생할 수 있는 예기치 않은 조 모듈 실패의 감소에 의해 관리 되어야 한다. 필드에서 관찰 된 모듈 실패의 예 잠재적인 유발 저하 (PID)3 와 라이트 유발 저하 (뚜껑) 결정 실리콘 모듈을 위한4 또는 CIGS 모듈5,6 에서 유도 된 부식 물 , 7 , 8. 태양광 모듈의 감소 필드 일생을 방지 하기 위하여 파괴 메커니즘 한다 따라서 식별 및 최소화.
태양광 셀 이나 모듈에서 발생 하는 열화 메커니즘의 향상 된 이해 것 또한 태양광 모듈 생산 비용을 절감 하는 데 도움이 됩니다: 많은 경우에, 환경 스트레스에 대 한 보호 자료 보장된 수명을 제공 하는 모듈에 소개 된다. 이 유연한 박막 모듈, CIGS, 물 ingression를 방지 하기 위해 비싼 방 벽을 포함 하는 같은 예를 들어 true입니다. 이러한 모듈에 모든 패키지 자료 모듈 비용의 70%를 만들 수 있습니다. 이러한 보호 자료는 종종 필요한 일생을 얻기 위해 특정 있어야-치수: 본질적으로 더 안정적이 고 더 정확 하 게 예측 가능한 저하 메커니즘에 대 한 더 많은 지식을 따라서 태양 전지 만들 수 있습니다. 모듈 및 그 성분의 장기적인 안정성에 대 한 더 나은 이해 것입니다 따라서 가능성이 방지-치수 하 고 이러한 보호 자료에 대 한 비용 절감된을 허용.
모듈 신뢰성의 일반적인 평가 주고, 태양 전지 및 모듈은 요즘 테스트 고 가속 수명 테스트 (ALT)9에 의해 자격이. 가장 심오한 자격 테스트 PV 모듈의 안정성에 "go/no go" 의사 결정을 주는 국제 전기 기술 위원회 (IEC) 61215 테스트10에 의해 정의 됩니다. 그러나, Osterwald 외. 11 계시는 IEC 테스트의 긍정적인 결과 표시 하지 않는 항상 PV 모듈 25 이상의 년 동안 야외 조건 설 수 있습니다. 이 제한 상관 관계 필드와 실험실 테스트 특히 비교적 새로운 박막 모듈12에 대 한 사실 입증 되었다.
이러한 테스트는 저하 메커니즘 ('어떤 프로세스 또는 어떤 긴장으로 인해 관찰된 느린 모듈 저하 급속 한 모듈 실패?')에 대 한 통찰력을 생성 하지 않습니다. 또한, 싱글 또는 듀얼 스트레스 요인 (예: 기계적 스트레스, 또는 결합 된 온도 습도)를 기반으로 현재 이러한 테스트 시뮬레이션할 수 있습니다 확실히 하지 필드 동작 신뢰할 수 있는 방식으로, 이후 필드에 PV 모듈에 수많은 주제는 스트레스를 결합 (예: 온도, 습도, 바람, 눈, 조명, 먼지, 모래, 물). 이러한 스트레스 기후 지역 마다 다를 수 있습니다: 동안 사막에서 온도 및 조명은 가능성이 중요 한 스트레스 요인; 온건한 기후에서 예 습도의 영향 또한 매우 중요 하다. 저하와 다양 한 기후에 따른 오류 시뮬레이션, 다양 한 조합의 여러 스트레스는 따라서 필요. 따라서, 여러 스트레스에 동시 노출은 특정 기후에 모듈 신뢰성의 좋은 평가 얻기 위해 매우 중요 한 그리고 결합 된 스트레스 테스트 따라서 실험실 테스트의 일부가 되어야 합니다.
그것은 따라서 결합된 스트레스 조건 하에서 발생 하는 열화 메커니즘의 이해를 질적, 양적 향상 되어야 한다 제안 했다. 이상적으로, 태양 전지 또는 모듈에 대 한 정보 또한 노출 동안 장치 변경의 식별 수 있도록 이러한 테스트 동안 수집 한다. 따라서, 우리 디자인 하 고 조명, 전기 편견, (높은) 온도, 습도를 동시 노출 허용 하는 두 설정 구성. 이러한 설정에서 이러한 스트레스의 수 또한 조정 될, 실험의 목표에 따라. 또한, 조명 수 라에 는 태양광 발전 장치 (그림 1)13,14,15,,1617,18, 의 모니터링 19 , 20. 이러한 종류의 테스트 ' 측정 현장에서 결합 된 스트레스 테스트 ' 라는 것 이다 (CSI). 이 프로토콜에서 ' CSI 1'과 ' 과학 수사 대 2' 라는 두 개의 하이브리드 저하 설정 표시 됩니다. 성능 이해 그리고 특히 박막 CIGS 태양 전지의 저하를 목표로 많은 연구 결과 이러한 설정으로 수행 되었다. 안정성과 온도 의존성 결과 비포장된 CIGS 및 CZTS 태양 전지에의 선택 되 게 됩니다. 자세한 내용은21,22에서 찾을 수 있습니다.
그림 1 : '측정 현장에서 결합 된 스트레스 테스트' 설치. 왼쪽: 측정 시스템을 포함 하 여 과학 수사 대 설치의 도식 개요. 중간 및 오른쪽: CSI 설정의 사진 (기후 태양 시뮬레이터, 측정 시스템 묘사 되지 플러스 챔버, 설정을 다른 크기). 중간 CSI1, 오른쪽은 CSI2. 이 그림은19,30에서 수정 되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
Protocol
참고: 섹션 1과 3은 CIGS의 저하는 테스트용 되며이 절차, 하지만 다른 모든 종류의 (예를 들어, perovskites, 유기 태양광 발전, 그리고 결정 실리콘) 태양 전지를 통해 CZTS 태양 전지 또는 이러한 설정으로 테스트 될 것입니다. 그것은 그 모든 장치 유형 및 형상에 대 한 샘플 홀더 설계 해야 주목 해야한다. 이 홀더 비 침식 연락처 장치 저하의 효과 애매 한 것이 이후 연락처 저하를 방지 하기 위해 있어야 합니다. 또한, 측정 시스템에서 부식된 연락처 또는 전선의 결과의 측정을 방지 하기 위해 4 포인트 프로브 구성에서 샘플을 문의 하는 것이 좋습니다.
1입니다. 준비의 CIGS 태양 전지
- 태양 전지를 취급할 때 장갑을 프로토콜의 모든 단계에서 사용: 유해 요소에 대 한 보호 하지만 또한 부엌 소금 (NaCl), 샘플 같은 원치 않는 물질의 증 착을 방지.
- 잘라는 1 mm x 100 mm x 100 mm (SLG) 소 다 라임 유리 샘플 4 100 m m x 25 m m 사각형 스트립 유리 커터 또는 다이아몬드 펜으로 적절 한 기판 준비 하기.
- 스퍼터 coater에서 SLG 샘플을 놓습니다. 0.5 µ m 두꺼운 리브 직류 (DC) 유리 기판23에 실 온에서 스퍼터 링에 의해 다시 연락처를 입금.
- 단일 레이어, 멀티 스택, bilayer, 등 다양 한 스택 순서에서 선택 하십시오. 예를 들어 높은 초기와 bilayer 입금 낮은 스퍼터 링 압력 (예, 0.003 mbar) 1-5 W/c m2의 전력 밀도에 의해 따라 스퍼터 링 압력 (예, 0.03 mbar).
- 1 M NaOH와 0.3 M K3Fe(CN)624의 etch 솔루션을 준비 합니다. 화학적 에칭 패턴된 다시 연락 보증금을 몰 리브 덴의 6 m m 스트라이프.
참고:이 방식 태양 전지는 잘 정의 된 영역, 태양 전지 분야 전기 매개 변수를 여전히 일부 기여할 수 있습니다 골드 연락처 적용 없이. - 진공 챔버에 샘플을 놓고 구리, 인듐, 갈륨, 그리고 셀레늄 분위기25아래 coevaporation 프로세스에 의해 2 µ m 두꺼운 CIGS 흡수 층을 입금 합니다.
- 예를 들어 550 ~ 600 ° C의 전형적인 기판 온도 사용 하 고 인듐, 갈륨, 셀레늄, 때문에 구리 풍부한 CIGS의 형성에 의해 다음의 증발에 의해 증 착 3 단계 프로세스, 첫 번째 (In, Ga) 형성2Se3 에 따라 구리의 대량 추가입니다. 세 번째 단계에 필요한 구리-가난한 CIGS 흡수를 구리 증발 기를 해제 합니다.
- 또는 낮은 비용 프로세스에 대 한 대기압에서 2 단 증 착을 사용 합니다. CuInGa 증 착, 진공 스퍼터 링 하거나 대기압 화학 증 착을 수행 합니다. 움직이는 벨트 selenization 오븐에 원소 셀레늄 분위기26 에서 selenization에 의해 이것을 따르십시오.
- 화학 목욕에서 샘플을 놓고 "목욕 화학 증 착" Cd 버퍼 입금 50 nm27의 두께 (CBD) 과정. 온도에서 NH4오, CdSO4및 thiourea (NH2CSNH2)의 물 기반 솔루션을 사용 하 여 일반적으로 ~ 70° c.
- 스퍼터 링 도구 샘플 놓고 입금 i-ZnO / ZnO:Al 전면 접촉 무선 주파수 (RF)에 의해 i-ZnO 및 각각 50 nm와 800-1000 nm28의 두께와 ZnO:Al 대상에서 스퍼터 링.
- I-ZnO 사용 순수 ZnO 대상 레이어 및 ZnO 세라믹을 사용 하 여 대상을 2 %ZnO:Al 계층에 대 한 Al2O3 . 증 착 온도가 실내 온도 200 ° C 사이 사용 하 여 이 상업적인 모듈에 사용 되는 최고 전극에 전도성 금속 격자의 사용을 하지 않습니다. 따라서,이 상대적으로 두꺼운 ZnO:Al 계층을 사용 하 여 모듈 디자인 모방이 세포에 충분 한 전도도 허용.
- 신중 하 게 멀리 칼으로 태양 전지 (단계 1.4에서에서 에칭의 반대편)에서 14 mm의 줄무늬 스크래치.
- 층의 경도 차이의 사용, 상위 레이어를 제거 하 여 (ZnO:Al / i-ZnO/CdS/CIGS)는 몰 리브 덴 다시 연락처 그대로 두고. 태양 전지 모듈에서 셀의 너비와 비슷한 5 mm의 폭을 형성 합니다.
- 골드 스퍼터 링 도구에 샘플을 놓고 아무 골드 태양 전지에 입금 됩니다 있도록 마스크로, 중간에 줄을 커버 합니다. 예금의 골드 연락처 ~ 셀의 연락 수 있도록 다시 연락 (몰 리브 덴)에 전면 접촉 (ZnO:Al) 실 온에서 스퍼터 링 하 여 60 nm 두께.
참고: 고귀한 금속의 연락처를 사용 하 여 셀 저하 공부 될 수 있다 그래야, 연락처의 저하 없이 가혹한 조건 샘플의 긴 기간 노출을 수 있습니다. - 7 m m 넓은 샘플에 유리 커터 또는 다이아몬드 펜 스트립 잘라, 이제는의 세포 표면 ~ 7 m m x 5 m m와 7 x 25 mm (그림 2)의 전체 크기.
참고: 횡단면의 도식 표현 뿐만 아니라 셀의 현미경 사진을 그림 2에 표시 됩니다. CZTS 태양 전지로 실험에 대 한 활성 흡수 레이어 (CZTS)의 다른 증 착 절차 미행 당하고 있다 (참조29와 유사), 다른 모든 레이어는 아날로그 절차에 따라 입금 했다 하는 동안.
그림 2 : CIGS 샘플 디자인. (맨 위) CIGS 샘플 및 위에서 촬영 하는 (아래)는 CIGS의 현미경 사진 샘플의 횡단면의 도식 적인 표현입니다. 이 그림은 참조14,30에서 부분적으로 수정 되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
2. 저하 하기 전에 태양 전지 분석
- 원래의 전 현재 전압 (IV)의 성능을 측정 표준 테스트 조건 하에서 태양 전지 (STC, 조명: 1000 W/m ²와 오전 1.5, 온도: 25 ° C) 4와 전기 매개 변수를 결정 하는 4 포인트 프로브 구성에 테스터입니다.
- 정확한 전류 밀도 파장 의존 흡수30,31 스펙트럼 응답 (SR) 설치에 대 한 외부 양자 효율 (EQE)를 측정 하 고 정확한 전류 밀도 계산.
- 조명된 잠금 thermography (ILIT) 매핑31 및 photoluminescence (PL) 매핑31 큰 확대와 함께 기록 하 고 어떤 시각과 측면 결함 식별 하려면 (현미경) 이미지를 받아.
- 높은 배율 및 IR 조명 소스에 대 한 15 µ m 렌즈와 열 감지기 ILIT 장치에서 샘플을 놓습니다. 샘플을 밝히는 고가 열된 위치를 식별 하는 온도에 공간적 차이 기록 합니다.
- 공간 photoluminescence 이미지를 매핑 PL 설정 아래 샘플을 놓습니다. 조명 및 데이터 검색을 위한 CCD 카메라에 대 한 높은 전원 LED 광원을 사용 합니다.
참고: 예제 참조15,,1620,30에서 찾을 수 있습니다.
- 참고로 아르곤 글러브에서 샘플의 나머지 부분을 배치 하는 동안 저하 실험에 대 한 태양 전지 수를 선택 합니다. 참고로, 실험 샘플으로 태양 전지 혼합된 세트를 선택, 그래서 전체 슬라이드 (예: 구성에 그라디언트) 내에서 어떤 다름 든 지 동일한 심각도에 실험 및 참조 샘플에 존재.
참고:이 예 의미는 위치 1, 3, 4, 5, 7, 8 슬라이드에 세포는 실험 세포 위치 2와 6는 참조 셀.
3. 태양 전지 샘플 홀더를 배치
- 샘플 셀에 어떤 그림자와 게 홀더 문의 골드 전면 및 후면 연락처 및 측정 핀 사이에서 태양 전지를 넣습니다.
참고: 샘플 홀더 특별히 기후 테스트 동안 가혹한 조건에 견딜 수 있도록 설계 되었습니다. 또한, 그들은 outgassing만 제한 된 물자의 건설 한다. - 시료 홀더에 놓습니다 CSI 설치 내부 샘플 랙 설치 외부 측정 도구와 태양 전지 사이 전기 접촉을 허용 하는. 어디 그것 AM 1.5 빛에 의해 조명 될 것입니다 전용된 위치에 샘플 랙 배치 소스.
참고: 광원 규격은 다음과 같습니다. CSI1: 40 cm x 40 cm 지역, 1000 W/m2보정 BAA 조명; CSI2: 100 x 100 cm2 영역, 1000 W/m2, AAA 보정 조명, IEC60904에 따르면 교정-9:200732.
4입니다. 저하 실험의 실행
- 솔 라 시뮬레이터, 측정 장비, 기후 챔버, 그리고 컴퓨터에 전환 합니다.
- 솔 라 시뮬레이터, 전기 편견, 및 기후 챔버 설정 제어 측정 컴퓨터 프로그램. 전압 범위, 전압 단계, 측정 순서, 및 IV 측정 소프트웨어에서 측정 사이의 시간을 정의 하 고 소프트웨어에서 온도, 습도, 바이어스 전압 및 조명 프로필을 정의.
참고:이 소프트웨어는 전체 실험 동안 측정을 조종 하자.- 4 측정에 대 한 일반적인 설정 범위-0.2 V 1.0 V 120 단계 (0.01 V/단계)에 전압을 사용 합니다. 참고 대부분의 경우, 시스템 모든 샘플의 IV 측정 및 약 5 분의 일시 정지 사이 교체.
- 기후 챔버의 설정에서 태양 전지 온도 안정화 합니다. 소프트웨어에서 샘플 온도 관찰 합니다.
참고: 태양 전지에 대 한 일반적인 온도 25 ° C, STC 온도. 조명 샘플이 열, 샘플 온도 이므로 항상 주변 챔버 보다. 기후 챔버의 전형적인 시작 온도-10 ° C ~ + 5 ° C (+ 5 ° C 챔버 온도 CIGS 샘플 온도 25 ° C의 이어질 예 수). 다른 샘플 디자인 또는 구성을 선택 하는 경우 다른 챔버 온도 25 ° C 샘플 온도를 해야 수 있습니다. - 예를 들어 0.1-0.3에서 85 ° C를 도달할 때까지 천천히 기후 챔버 열 ° C/분 챔버 온도 기후 챔버 컴퓨터에서 읽었고 소프트웨어에서 샘플 온도 읽고.
참고: 일반적인 샘플 온도 110 ° C와 100 ° C 사이 때 챔버는 85 ° C 이다. 이러한 값 샘플, 사이 변화 하 고 특히 기판 유형, 샘플 홀더 디자인 및 소재, 태양 전지 자체에 의해 영향을 받습니다. 이 단계는 세포는 개방 회로 조건에서 측정 되지 때 다르게 언급 하지 않는 한. 난방 단계 어떤 내부 전압 바이어스의 영향 제외할 경우, 조명이이 단계 동안에 떨어져도 될 수 있습니다.- CSI1, CSI2 32 샘플에 대 한 15 열전쌍을 사용에 (서) 동안 그들의 온도 측정 하는 모든 개별 셀에는 개별 열전대를 연결 합니다. 기록 하 고 개별 온도 기록.
- 자동으로 난방, 그들은 즉 결정 모든 0.5 샘플 수에 따라 몇 분 동안 태양 전지 한 명씩의 현재 전압 곡선을 측정 합니다. 소프트웨어에는 전기 매개 변수를 확인 합니다.
- 현재 전압 곡선에서 전기 매개 변수를 계산 합니다. 항상 결정 효율성, 개방 회로 전압, 단락 전류 밀도, 채우기 비율, 직렬 저항, 고 저항 션트. 현재 전압 곡선의 끝에 슬로프에서 저항을 결정 합니다.
- 필요한 경우, 또한 결정 관념 요소, 포화 전류 밀도, 그리고 사진 전류 밀도 1 다이오드 모델14피팅 하 여.
참고: 그러나, 이러한 피팅 절차는 대 한 상대적으로 신뢰할 수는 이상적인 다이오드 처럼 동작 하지 않는 태양 전지 저하. 이러한 높은 온도 의해 측정 된 효율성 STC, 아래 보다 낮은 주로13의 개방 회로 전압 있는 감소에서 볼 수 있을 것입니다.
- 기후 챔버에 습도 설정, 표준 설정 85%의 상대 습도 (RH). 이것은 일반적으로 실험의 시작 지점 (t = 0 h). 기후 챔버 컴퓨터에서 RH를 관찰 합니다.
참고: 실제 샘플 상대 습도 설정된 값 보다 낮습니다. 이것은 샘플 온도 85 ° C 보다 더 높은 절대 습도 같은 사실에 의해 발생 하는:이 값은 85% RH33보다 낮은 상대 습도 온도 이기 때문에. - CSI 설정 100s을의 1, 000s 현재 전압 곡선을 측정 하는 동안 시간에 대 한 샘플을 둡니다. 측정 커브 마다 5 ~ 10 분 하지만이 수요에 다. 소프트웨어에는 전기 매개 변수를 확인 합니다.
- 남은 시간에 개방 회로 상태 (표준 상태) 아래 샘플을 유지 하거나 20 V-V 20에서 다양 한 전기 부하의 사용으로 다양 한 전기 편견에서 그들을 놓습니다. 실험 기간 동안 전기 바이어스의 수정이 필요한 경우 추적 소프트웨어에서 설정된 값을 변경 합니다.
참고: '표준' 설정은 최대 파워 포인트 (MPP) 조건 (동작 전압 및 전류는 태양 전지), 단락 회로 조건 및 제한 된 부정적인 전압 조건입니다. 후자를 사용 하 여 부분 모듈 음영을 시뮬레이션.
- 남은 시간에 개방 회로 상태 (표준 상태) 아래 샘플을 유지 하거나 20 V-V 20에서 다양 한 전기 부하의 사용으로 다양 한 전기 편견에서 그들을 놓습니다. 실험 기간 동안 전기 바이어스의 수정이 필요한 경우 추적 소프트웨어에서 설정된 값을 변경 합니다.
- 자세한 예제에 대 한 다양 한 노출 시간 후, 다른 사람을 전에 설치에서 사용 샘플 홀더에 제한 된 수의 샘플을 제거 합니다. 나머지 샘플에 영향을 최소화 하기 위해이 조명 아래와 매우 빠른 방식에서를 실행 합니다. 이것은 자연스럽 게 작은 샘플에 대 한 수 만입니다.
- 실험의 끝에, 몇 시간에 천천히 실내 온도 아래로 챔버를 냉각 하 고 그들의 샘플 홀더 함께 샘플을 제거 합니다. 기후 챔버 컴퓨터에서 온도 관찰 합니다.
참고: 그것은 또한 습도 동안예를 들어, 800 W/m2 (자외선), 다른 가벼운 강렬을 사용 하 고 온도 자연스럽 게 또한 변화 될 수 있습니다. 이 경우, 얻은 전기 매개 변수 다른 빛의 강도 대 한 수정 한다. 그것은 전기 매개 변수에 예기치 않은 변경이 발생 CIGS 태양 전지 곧 때 관찰 되었다 (예를 들어, 15 분) 조명 (없고 조명 소스에 의해). 이 효과 연구의 목적은 아니다, 것이 좋습니다 조명에 지속적으로14.
5. 분석의 타락 하 고 셀 참조
- 노출 시간 저하 설정 기능으로 전기 매개 변수의 개발을 플롯 합니다.
- 샘플 STC에서 전기 매개 변수를 설정에서 제거 된 후 직접 저하 태양 전지 라 예 4 측정을 반복 합니다. 정확한 전류 밀도 파장-종속 흡수에 대 한 외부 양자 효율 측정을 반복 합니다.
- 조명된 잠금 thermography 매핑 및 photoluminescence 매핑, 다시 기록 하 고 시각 및 측면 결함에 어떤 변화 든 지 식별 (현미경) 사진의 찍을. 동일한 설정을 사용 하 여 저하 하기 전에.
- (횡단면) 스캐닝 전자 현미경-에너지 흩어진 엑스레이 분광학 (SEM-EDX)31, x 선 회절 (XRD)31, 2 차 이온 질량 분광학 (심즈)31, 온도 같은 다른 분석 기법을 사용 하 여 종속 전류 전압 (IV(T))31 실패 메커니즘 식별.
- 저하에 이러한 파괴적인 분석을 실행 하 고 노출 CSI 설정에 따른 변화를 관찰 하는 샘플을 참조.
6. 열화 메커니즘 및 모드의 정의
- 태양 전지 모듈의 장기 안정성에 저하 메커니즘 및 그들의 영향을 정의 하는 모든 데이터를 결합 합니다.
Representative Results
CSI 설정 실험의 광범위 한 사용 되었습니다. 실험은 모두 셀 또는 모듈 구성 및 디자인, 물론 저하 조건의 영향에 영향에 집중 했다. 전기 매개 변수의 개발의 몇 가지 예는 다음 그림에 표시 됩니다. 그림 4 CSI2에서 얻은 반면 그림 3, 그림 5, 그림 6, 그림 7 에서 측정 CSI1에서 찍은 사진. 이 숫자에서 장치 효율, 개방 회로 전압 또는 션트 저항을 묘사 하도록 선택 하지만 다른 매개 변수 자연스럽 게도 그릴 수 있습니다.
그림 3 및 그림 4 습도 방 벽 또는 다른 패키지 자료 없이 알칼리 풍부한 CIGS 태양 전지의 안정성 저하 조건의 영향을 표시합니다. 그림 3 은 이러한 셀 저하 때 노출 되는 조명, 열, 습도, 습도의 부재에서 거의 안정 되어 있는 동안 보여준다. 이 이러한 태양 전지 또는 아날로그 모듈 때 잘 습도15에 대 한 포장 완전히 안정 될 수 있음을 나타냅니다. 잠재적인 패키지 재료는 자연스럽 게 유리, 하지만 또한 종종 유기 무기 다중 스택15에 근거 하는 유연한 장벽을 포함 됩니다. 미래 실험에서 이러한 가능성 테스트 됩니다. 이러한 결과 또한이 패키지 소재는 뜨거운, 건조 기후에서 필요 하지 않을 수도 있습니다 나타냅니다. 그림 4 는 고온 고 습 플러스 조명에 노출 되 면 바이어스 전압의 영향: 이러한 예비 결과 낮은 네거티브 전압 (-0.5 V, 회색 곡선) 가능성이 단락 회로, 개방 회로, 보다 안정성에 더 많은 부정적인 효과 있음을 나타냅니다 그리고 MPP 조건18.
그림 3 : CIGS 태양 전지 안정성에 습도의 영향. 노출의 기능으로 비포장된 CIGS 태양 전지 효율의 개발 조명 시간 플러스 열 (레드) 건조 고 젖은 열 (파란색)에서 높은 온도. 모든 선 한 태양 전지를 나타냅니다. 이 그림은 참조15에서 수정 되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 4 : CIGS 태양 전지 안정성에 전기 부하의 영향. 다양 한 전압 및 축축한 열 및 조명에 시간의 기능으로 비포장된 셀의 효율의 발전. 회색, 녹색, 파란색과 빨간색 곡선 표시-V, 0 V, 0.5에 노출 ~ VMPP, 그리고 오픈 회로 조건, 각각. 실내 온도 효율은 약 50% 더 높은 이러한 매개 변수를 높은 온도에서 얻을 수 있습니다. 모든 선 한 태양 전지를 나타냅니다. 이 그림은 참조18에서 수정 되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
느린 난방 때문 (0.1-0.3 ° C/min) 난방 단계 및 실시간 측정, 하는 동안 이러한 설정을 자동으로 태양 전지 온도 의존성의 결정 허용. 그림 5 는 개방 회로 전압 저하 실험 전에 난방 곡선으로의 종속성을 표시 합니다. 이 그래프로 개방 회로 전압 (Voc) 온도 (묘사 되지) 다양 한 CIGS 태양 전지의 직렬 저항 및 단락 전류와 같은 다른 매개 변수는 동안 종속성 표시도 더 큰 사이 차이가 존재 셀 사이의 차이점입니다. 다른 매개 변수 개발 참조34에서 찾을 수 있습니다.
그림 5 : CIGS 태양 전지의 온도 의존. 2 비포장 CIGS 태양 전지의 개방 회로 전압 (Voc)의 온도 종속성입니다. 색상 표시 다른 태양 전지 디자인: 위에서 설명한 대로 파란색 사각형 셀 설계 및 증 착 절차와 샘플을 나타냅니다. 빨간색 원 흡수 이온 빔 보조 coevaporation으로 입금 된 구체의 호 일에 포장 비 CIGS 태양 전지를 나타냅니다. 모든 선 한 태양 전지를 나타냅니다. 이 그림은 참조34에서 수정 되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
그림 6 작은 차이의 태양 전지 구성 장치 안정성에 큰 영향을 가질 수 보여줍니다. 이 실험 시연 대량 나트륨 및 칼륨을 포함 하는 알칼리 풍부한 샘플 높은 초기 효율을 했지만 그들은 또한 더 빠르게 저하. 다른 한편으로, 작은 양의 알칼리-요소 ("알칼리-가난한" 샘플)만 포함 된 비포장된 거의 안정적인 태양 전지 또한 생산 되었다. 이러한 태양 전지 따라서 거의 본질적으로 안정 되었고 보호 자료를 필요 하지 않았다. 원래의 전 분석 결과 함께이 정보를 바탕으로,이 샘플에 대 한 주요 열화 메커니즘 확인 될 수 있었다: 알칼리 풍부한 샘플의 효율성 손실의 뒤에 주요 드라이버에 날카로운 감소는 관찰 되었다 션트 저항16. 이러한 셀의 속성의 심층 분석 표시 좀 더 구체적으로 나트륨, 알칼리 성분의 이동이이 저하 될 듯. 자세한 내용은 참조16,20에 표시 됩니다. 이 연구의 나중 단계 알칼리 가난한 샘플의 안정성과 알칼리 풍부한 샘플의 초기 고효율 태양 전지를 개발 하고자 합니다.
그림 6 : CIGS 태양 전지 안정성에 알칼리 콘텐츠의 영향. 효율성 (왼쪽)과 비포장된 CIGS 태양 전지 젖은 열 플러스 조명에 노출의 두 종류의 션트 저항 (오른쪽)의 진화. 분홍색과 보라색 선은 파란색 선이 나타냅니다 알칼리 풍부한 샘플 알칼리 가난한 샘플을 나타냅니다. 실내 온도 효율은 30-80% 높은 값 상승 된 온도에서 얻은 했다. 모든 선 한 태양 전지를 나타냅니다. 이 그림은 참조16에서 수정 되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
마지막 예제에서는 다양 한 CZTS 샘플19에 집중 한다. 그림 7 다른 유형의 비포장된 태양 전지 젖은 열 플러스 조명에서 다른 4 동작 설명 나와 있습니다. 이 세포는 이상적인 태양 전지, 효율성과이 그림에 표시 된 전압에 있는 증가 가능성이 CZTS 태양 전지에 대 한 대표에 일반적 이며 설명 없이이 문제에 대 한 제공 될 수 있도록 주목 한다. 더 많은 연구가 이러한 세포의 안정성에 대 한 신뢰할 수 있는 진술을 포기를 실행 될 필요가 있다.
그림 7 : CZTS 태양 전지 젖은 열 플러스 조명에 노출. 정규화 된 개방 회로 전압 및 시간, 고온 고 습 플러스 고온에서 촬영 조명에 노출의 기능으로의 네 가지 유형의 최적화 되지 않은 비포장된 CZTS 태양 전지 효율성의 진화. 모든 색상 CZTS 태양 전지의 다른 종류를 보여 줍니다. 모든 선 한 태양 전지를 나타냅니다. 이 그림은 참조19에서 수정 되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오.
Discussion
태양 전지 및 모듈의 전기 매개 변수의 실시간 모니터링에 대 한 두 개의 CSI 설정을 설계 하 고 건설 되었습니다. 이러한 설정을 젖은 열, 조명, 및 또한 제자리에 태양광 발전 장치 4 매개 변수를 결정 하는 동안 전기 바이어스에 동시 노출 하실 수 있습니다. 이러한 설정은 비포장 태양 전지의 장기 안정성에 셀 이나 모듈 구성 뿐만 아니라 환경 스트레스 (습도, 조명, 전기 편견, 및 온도)의 영향을 연구에 사용 되었습니다. 그림 3, 그림 4, 그림 5, 그림 6및 그림 7 다양 한 이러한 설정으로 얻은 결과 표시 합니다.
제시 연구에서 안정성 결과 (그림 3, 그림 4, 그림 6및 그림 7) 항상 주의 대우 한다: 모듈 안정성, 모든 제약 조건에 이러한 연구에서 번역을 만들기 위해 태양광 발전 장치 (를 포함 하 여이 연구)의 안정성에 가속된 수명 테스트 계정에 취해야 한다. 이러한 제약은 실험실에서 조건을 의미 일부 저하 메커니즘 잘못 (심각도) 스트레스의 선택으로 인해 찾을 수 없습니다 수 있습니다 하는 동안 빠르게 저하 메커니즘을 식별 하는 사실에 의해 발생 합니다. 또한, 선택한 조건이 발생할 수 있습니다 또한 저하 메커니즘 및 필드에서 발생 하지 않거나 전이나 필드에서 발생 하는 필연적인 실패 예측된 기간 후. 동안 예를 들어 고온 고 습 조건 (85 °C/85% RH), 219의 가속 요인 간주 됩니다, 그리고 참조25 보였다이 속도 종종 비 선형 및 CIGS 모듈 사이 10 그리고 1000, 그리고 다른 저하 메커니즘에 대 한 다를 수 있습니다.
제시 결과 필드 모듈의 가장 중요 한 차이점의 타당성을 예측 하려면 노출과 제시 실험 한다 고려:
a. 사용된 실험실 조건은 필드 조건 보다 더 심한 가속 테스트에 대 한 기본 요구 사항입니다. 또한,이 실험에서 조건은 대부분 일정 모듈 분야에서 지속적으로 변화 하는 조건에 노출 됩니다.
b. 제시 실험에서 포장 비 태양 전지 사용 되었다. 당연히, 배리어 재료 및 가장자리 밀봉 (특히 습 한 조건) 하에서 장치 안정성에 중요 한 역할을 재생 됩니다. 또한, 상호 및 캡슐화 재료의 영향 또한 매우 중요 하다 고 무시 하지 해야. 물론, 패키지 및 상호 미니 모듈 실험 가능이 설정에 있습니다.
c. 조명로 인해 그림 3, 그림 5, 그림 6, 그림 7 에 제시 하는 실험 IV 커브 기록 되지 않은 때 개방 회로 조건에서 수행 되었다. 그러나, 셀 또한 반전 부분 모듈 숨김의 경우 바이어스 조건에 노출 될 수 있지만 모듈 MPP 조건에서 작동 해야 합니다. 그림 4 쇼만 MPP와 오픈 회로 조건 차이 제한, 특정 실험에서 관찰 되었다 하지만 그 다른 셀 또는 조건에 대 한 다를 수 있습니다.
d. CIGS 태양 전지 구성은 장기 안정성에 큰 영향이 있다. 안정성에 구성의 영향에 대 한 연구의 예 참조16,20에서 예를 찾을 수 있습니다. 이후 태양 전지 스택의 많은 작은 수정의 영향의 정확한 특성 아직 확인 되지 않는 저하 빨리 또는 예상 보다 느리게 발생할 수 있습니다.
위의 요인 저하 조건 및 샘플 구성에서 가속된 수명 연구의 많은 진정한 모듈 필드 성능을 예측 하는 데 필요한을 나타냅니다. 또한, 이러한 결과 따라서 PV 모듈의 장기적인 안정성에 대 한 완전 한 그림을 얻기 위해 현장 연구와 결합 합니다.
그러나, 우리는이 연구에서 제시 하는 설정을 표준 IEC 테스트는 결합 된 스트레스 노출으로 현장에서 모니터링 때문에 비해 상당한 개선을 제안 합니다. 이러한 속성은 크게 가속된 수명 실험의 예측 값을 개선 하 고 저하 메커니즘에 대 한 우리의 이해를 증가. '표준' (예를 들어, IEC 61215)에 비해 4 개의 주요 이점은 테스트는 다음과 같은 기능:
a. 테스트 (즉, 온도, 습도, 조명, 및 전기 편견) 결합 된 스트레스에 노출에서.
(예를 들어, 사막이 나 극 지 조건) 지역 기후를 시뮬레이션 하기 위해 결합 된 응력의 b. 튜닝.
c. 튜닝 전기 편견, 예를 들어, 부분 음영의 효과 시뮬레이션 하.
d. 실시간 수 있도록 간단 하 고 빠르게 더 나은 예측 또는 증가 지식 수준으로 저하 메커니즘의 제한 뿐만 아니라 테스트 장치 성능 모니터링.
e. 테스트 시간, 테스트 후 직접 중지 시킬 수 있습니다 이후 감소는 오류가 발생 했습니다, 대신 후 정의 된 테스트 기간 (예를 들어, 1000 h).
그것은 따라서 평생 연구 제시 설정으로 크게 향상 시킬 수 있는 질적, 양적 이해와 예측 태양 전지 및 모듈의 장기 안정성의 제안. ' 현장에서 측정 결합 된 스트레스 테스트 '를 제공 하 고 나중에 설치 (CSI) 전체 규모에 대 한 모듈 개발: 40 c m x 40 c m 100 c m x 100 c m의 조명된 분야와 설정 전체 크기 PV 모듈에 대 한 너무 작은, 그래서 증가 계획에 이 결합 된 스트레스 측정 개념의 규모는 진행 되 고 있습니다.
Disclosures
저자 에릭 하버 (레 라 솔루션), 스테판 Roest (영원한 일), 그리고 피터 Hielkema (Hielkema Testequipment)는 이러한 설정의 상용화 컨소시엄에 의해 고용 됩니다. 이러한 설정 (작가 Mirjam Theelen 및 Henk Steijvers (TNO))의 발명가의 고용주가이 컨소시엄와 라이선스 계약을 보유 하고있다.
Acknowledgments
저자 미로 Zeman (공과 대학)과 Zeger Vroon (TNO) 유익한 토론에 감사 하 고 싶습니다. 교 Beyeler, 빈센트 한스, 예카테리나 Liakopoulou, Soheyl Mortazavi, 가브리엘라 드 아모 링 Soares (모든 TNO), 펠릭스 Daume (Solarion), 그리고 마리 Buffière (IMEC) 샘플 증 착 및 분석 및 긴 토론에 대 한 인정 됩니다. 또한, 우리 영원한 태양, Hielkema Testequipment, 그리고 레 라 솔루션, 그리고 좀 더 구체적으로 로버트 1 월 밴 Vugt에서 모든 직원을 감사 하 고 싶습니다 알렉산더 멀 더와 제 론 Vink 그들의 공헌에 대 한.
이러한 연구는 재료 혁신 연구소 M2i, TKI IDEEGO 프로젝트 신뢰, 프로젝트 태양광 OpMaat, 교차 국경 협력 프로그램 Interreg V에 의해 융자의 연구 프로그램의 프레임 워크에서 프로젝트 번호 M71.9.10401에서 실시 했다 플랑드르-네덜란드 지역 개발 및 TNO 'Technologie zoekt Ondernemer' 프로그램에 대 한 자금을 유럽의 재정 지원.
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 |
References
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