Name: その場で太陽電池とモジュールの加速劣化のモニタリング: Cu (In, Ga) Se2太陽電池に関するケーススタディ (動画) | JoVE Journal
Uploaded: 2018-10-03T12:30:00.000+00:00
Duration: 9 min 19 s
Description: 学ぶ太陽電池の加速劣化モニタリング手法。Cu(In,Ga)Se2太陽電池を用いて、湿度・温度・電気バイアス・照光の複合ストレス下でリアルタイム性能評価を行い、劣化メカニズムを解明する信頼性評価法です。

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著者は、有意義な議論のミロ ゼマン (デルフト工科大学) やゼガー Vroon (TNO) を感謝したいです。長い議論と分析サンプル成膜京バイエラー、ヴァンサンのハンス、エカテリーナ Liakopoulou、Soheyl Mortazavi、ガブリエラ ・ デ ・ アモリン ・ ソアレス (すべて TNO)、フェリックス ・ Daume (ソラリア)、マリー ・ アンティーブ ・ ジュアン (IMEC) を認めたさらに、永遠の太陽、Hielkema 機とレラのソリューション、および具体的にはロバート ・ 1 月ヴァン Vugt、全社員に感謝したいアレクサンダー モルダーと Jeroen ビンクの貢献のため。
これらの研究は、材料イノベーション研究所の M2i、TKI IDEEGO プロジェクト信頼、プロジェクト太陽光発電 OpMaat 国境を越えたコラボレーション プログラム Interreg V によって融資される研究プログラムのフレームワークのプロジェクト番号 M71.9.10401 の下で行われました。フランダース-オランダ TNO 'テク zoekt Ondernemer' プログラムや地域づくりの欧州基金の財政支援と。

注: セクション 1 と 3 は、cigs 系の劣化試験のため固有、このプロシージャが (例えば、ペロブスカイト有機太陽電池、結晶シリコン) 太陽電池の他のすべての種類を介してヘテロ接合型太陽電池は、これらの設定を持つテストされます。それは、すべてのデバイスの種類と形状、試料ホルダーを設計する必要があります注意してください。これらのホールダー デバイス劣化の影響この不明確になりますので、接点の劣化を防ぐために非腐食性の連絡先が必要です。さらに、測定システムに腐食した連絡先またはワイヤの結果の測定を防ぐために、4 点プローブの構成のサンプルをお勧めします。
1. cigs 薄膜太陽電池の作製
<ol><li>太陽電池セルを処理する場合、プロトコルのすべての手順で手袋を使用: 有毒な要素に対する保護が、またサンプル キッチン塩 (NaCl) のような不要な物質の沈着を防ぐ。</li>
	<li>1 mm × 100 mm × 100 mm (SLG) ソーダライム ガラス サンプル 4 100 mm × 25 mm に長方形のストリップをカット ガラス カッターやダイヤモンド ペンで適切な基板を準備するために。</li>
	<li>スパッタ コーターに SLG サンプルを配置します。直流 (DC) がガラス基板23日常温スパッタ法による連絡、0.5 μ m 厚いモリブデンを入金します。<ol>
<li>単層、2 層、マルチ スタックなど、さまざまなスタック順序から選択します。たとえば、預金高の初期層 1-5 W/cm2の出力密度でより低いスパッタリング圧力 (例えば、0.003 mbar) が続く (例えば、0.03 mbar) の圧力をスパッタリングします。</li>
	</ol>
</li>
	<li>1 M NaOH と 0.3 M K の3Fe(CN)624エッチング ソリューションを準備します。電気化学的エッチング パターン バック コンタクトを預金にモリブデンの 6 mm のストライプであります。 注: この方法で、太陽電池は明確に定義されたエリア電気パラメーターに貢献するかもしれないまだ一部金の接点で覆われて太陽電池分野なし。</li>
	<li>真空チャンバー内でサンプルを置き、銅、インジウム、ガリウム、セレンの雰囲気25の下で共蒸着プロセスで 2 μ m 厚い cigs 光吸収層を入金します。<ol>
<li>たとえば、典型的な基板温度が 550 に 600 ° C を使用し、インジウム、ガリウム、セレン、ために銅豊富な cigs 薄膜の形成に続くの蒸発によって 3 段階蒸着プロセス、最初 (In, Ga) 形成2Se3に従ってください。銅の大量の追加。第三段階で必要な銅貧しい人々 cigs 光吸収体を形成する銅の蒸発器の電源を切ります。</li>
		<li>また、低コストのプロセスを大気圧 2 段階蒸着を使用します。CuInGa 蒸着スパッタリング真空または大気圧の電気化学的析出を実行します。移動ベルト インジウムセレン化物オーブンで元素セレン雰囲気26セレンによってこれに従ってください。</li>
	</ol>
</li>
	<li>化学のバースのサンプルを置き、「ケミカルバス法」による Cd バッファーを入金、厚みは 50 nm27(CBD) プロセス。通常の温度で NH4ああ、CdSO4、およびチオ尿素 (NH2CSNH2) の水ベースのソリューションを使用 〜 70° C
</li>
	<li>スパッタ リング ツールのサンプルを置き、i ZnO を入金・ i ZnO とそれぞれ 50 nm と 800 1,000 nm28の厚さを持つ ZnO:Al ターゲットからスパッタで ZnO:Al フロント連絡無線周波 (RF) による。<ol>
<li>I ZnO の使用純粋な ZnO ターゲット層や ZnO セラミックスの使用をターゲットに 2% Al2O3 ZnO:Al 層。部屋の温度と 200 ° C 間の堆積温度を使用します。これは商業モジュールで使用されていない、上部電極に導電性金属グリッドの使用を避けてください。したがって、この比較的厚い ZnO:Al レイヤーを使用して、モジュール デザインを模倣これらの細胞における十分な電気伝導度を許可します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>ナイフで傷まで太陽電池の (1.4 の手順でエッチングの反対側) に 14 mm のストライプを慎重に。<ol>
<li>層の硬さの差を使用して、上位層のみを削除することによって (ZnO:Al/i-ZnO/Cd/CIGS) モリブデンのバック コンタクトをそのまま残す。太陽電池モジュールのセルの幅を 5 mm の幅を形成します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>金スパッタ リング ツールのサンプルを置き、太陽電池の金が入金されないように、マスクとして中央にストライプでそれをカバーします。預金の金色の接触部 〜 細胞の連絡を許可するために背中に連絡 (モリブデン) のフロントの連絡先 (ZnO:Al) 常温スパッタによる 60 nm の厚さ。 メモ: 希金属の接触の使用は、電池劣化の影響を学ぶことができますので、過酷な条件に、接点の劣化なしサンプルの長期暴露をできます。</li>
	<li>7 mm ワイド サンプルにガラス カッターやダイヤモンド ペンでストリップをカット、今ある細胞表面の ~ 7 mm × 5 mm と 7 mm × 25 mm (図 2) の合計サイズです。 注: 断面の概略だけでなく、細胞の顕微鏡写真図 2に示します。ヘテロ接合型太陽電池の実験のため、様々 な成膜アクティブな吸収体層 (ヘテロ接合型) の手続きされている (参照29に似ています)、アナログのプロシージャに続く他のすべてのレイヤーが堆積した間。</li>
</ol><img alt="Figure 2" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55897/55897fig2.jpg"> 図 2: CIGS サンプル デザインします。(top)Cigs 系のサンプルと上部から撮影 (下)、CIGS の顕微鏡写真サンプルの断面の模式図。この図は、参照14,30から一部変更されています。<a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55897/55897fig2large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
2. 劣化前に太陽電池の分析
<ol><li>元場電圧 (IV) の現在のパフォーマンスの標準的なテスト条件下で太陽電池の測定 (STC は、照明: 1000 W/m ² と AM 1.5、温度: 25 ° C) 4 点プローブ構成では IV の電気的パラメーターを決定するにはテスターです。<ol>
<li>正確な電流密度と波長依存吸収30,31スペクトル応答 (SR) のセットアップでの外部量子効率 (EQE) を測定し、正確な電流密度を計算します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>任意の visual と横方向の欠陥を識別する (顕微鏡) 像を取るし、照らされたロックのサーモグラフィ (ILIT)31およびフォトルミネッ センス (PL) マッピング31高倍率でのマッピングを記録します。<ol>
<li>高倍率と IR 光源の 15 μ m のレンズで熱感知器で ILIT デバイスの下でサンプルを配置します。サンプルを照らすし、温水の場所を識別する温度の空間の差を記録します。</li>
		<li>空間の発光画像を得るためのマッピング PL 設定の下でサンプルを配置します。照明と CCD カメラ データ検出のための高出力 LED 光源を使用します。 注: 参照15,16,20,30の例を見つけることが。</li>
	</ol>
</li>
	<li>サンプルの残りの部分を配置する参照としてアルゴン グローブ ボックスの中の分解実験用太陽電池の数を選択します。完全スライド (例えば組成勾配) 内の任意の違いが同じ重要度で、実験と参照サンプルの提示、実験サンプルとリファレンスとして太陽電池の混合セットを選択します。 注: これはたとえば 1、3、4、5、7、8 のスライドで位置と細胞は 2 と 6 の位置は、セルを参照しながら、実験的細胞、意味できます。</li>
</ol>3. サンプル ホルダーに太陽電池セルの配置
<ol><li>サンプル ホルダーがセルに任意の影をキャストしていないようにゴールドのフロントとバックの連絡先と測定ピン間の接触では太陽電池を配置します。 注: 試料ホルダーが具体的気候テスト中に過酷な条件に耐えるように設計されています。さらに、彼らは持っている限られたアウトガス材料の構築されます。</li>
	<li>太陽電池とセットアップ外測定ツールとの間の電気接触を許可する CSI セットアップの内部サンプル ラックの試料ホルダーを配置します。AM 1.5 光によって強調表示されます専用の位置のサンプル ラックを置きソース。 注: 光源仕様は次のとおりです。CSI1: 40 cm x 40 cm エリア、1,000 W/m2、BAA 校正照明;CSI2: 100 x 100 cm2の領域、1,000 W/m2、AAA 校正照明、IEC60904 によると校正-9:200732。</li>
</ol>4. 分解実験の実行
<ol><li>太陽光シミュレータ、計測機器、気候室およびコンピューターに切り替えます。</li>
	<li>太陽光シミュレータ、電気的バイアスおよび気候室設定制御測定コンピューターをプログラムします。電圧、電圧ステップ、測定シーケンス、および IV 測定ソフトウェアで測定間隔を定義し、ソフトウェアで温度、湿度、バイアス電圧、および照明プロファイルを定義します。 注意: は、このソフトウェアによる実験中に測定を操縦をさせてください。<ol>
<li>IV 測定の典型的な設定は、-0.2 V 120 ステップ (0.01 V/ステップ) で 1.0 V の範囲で電圧を使用します。ほとんどの場合、システムはすべての IV 測定と休止時間を約 5 分の間交互に注意してください。</li>
	</ol>
</li>
	<li>気候室およびセットアップで太陽電池の温度を安定させます。ソフトウェアでサンプル温度を確認します。 注: 太陽電池のための典型的な温度は 25 ° C は、STC の温度です。以来、照明はサンプルにヒートアップ、サンプルの温度は周囲の商工会議所より高い常に。気候室の典型的な開始温度は-10 ° C ~ +5 ° C (+ 5 ° C チャンバー内温度たとえば CIGS サンプル温度が 25 ° C につながることができます)。その他サンプル デザインまたはコンポジションを選択すると、他室の温度は 25 ° C サンプル温度を取得する必要があります。</li>
	<li>0.1 0.3 で、例えば、85 ° C に達するまでゆっくりと気候室を熱 ° C/分は気候室コンピューターからチャンバー内温度を読み取ってソフトウェアからサンプル温度を読みます。 注: 標準サンプルの温度は、100 ° C と 110 ° C 間商工会議所が 85 ° C です。これらの値は、サンプルによって異なります、特に基板の種類、サンプル ホルダーのデザインと太陽電池自体が影響を受けます。この段階でセルは、開放状態で測定されていない特記が異なる。加熱段階で内部電圧バイアスの影響を除外する場合、照明することができますオフこの段階で。<ol>
<li>CSI1、CSI2 使用 15 32 サンプルの熱電対で温度を測定するすべての個々 のセルに個々 の熱電対に接続します。記録し、個々 の温度を記録します。</li>
	</ol>
</li>
	<li>自動的に彼らが意味する決定サンプル数に応じて、いくつかの分を 0.5、加熱時に太陽電池 1 つずつの電流電圧特性を測定します。ソフトウェアで電気パラメーターを確認します。<ol>
<li>電流電圧特性から電気パラメーターを計算します。常に効率、開放電圧、短絡電流密度、フィルファクター、直列抵抗を決定し、シャント抵抗します。電流電圧特性の端に斜面から抵抗を決定します。</li>
		<li>必要な場合は、141 ダイオード モデルあてはめによる理想係数、飽和電流密度および電流密度の写真も決定します。 注: ただし、フィッティング手順は比較的信頼性の高いメモの動作は理想的なダイオード、太陽電池が低下。これらの高温によって測定される効率は、開回路電圧13減少で表示される主 STC は、下よりも低くなります。</li>
	</ol>
</li>
	<li>気候室内の湿度をオンに、85% の相対湿度 (RH) は、標準的な設定。これは実験の開始の点では一般に (t = 0 h)。気候室コンピューターから RH を観察します。 注: 実際のサンプル相対湿度が設定値よりも低いです。これ絶対湿度は同じ試料温度は 85 ° C よりも高いという事実が原因です: 相対湿度は温度の関数で、この値が 85% RH33よりも低い。</li>
	<li>数百 ~ 数千時間の電流電圧特性を測定しながらの CSI の設定でサンプルを残します。曲線のすべての 5 〜 10 分の測定が、これ需要によって異なります。ソフトウェアで電気パラメーターを確認します。<ol>
<li>残りの時間でいずれかのオープン回路条件 (標準条件) 下でのサンプルを保持または +20 V、-20 V から様々 な電気の負荷を使って様々 な電気的バイアスの下に配置します。実験中に電気的バイアスの変更が必要な場合に、トレーサー ソフトウェアで設定値を変更します。 注: '標準' の設定は、最大電力点 (MPP) 条件 (電圧および太陽電池の電流)、短絡の条件、および限られた否定的な電圧の条件です。後者を使用して、モジュールの部分的なシェーディングをシミュレートします。</li>
	</ol>
</li>
	<li>様々 な暴露時間後サンプルの詳細については、他人の前にセットアップからサンプル ホルダーに限られたサンプル数を削除します。これを実行残りのサンプルへの影響を最小限に抑えるために照明の下でそして非常に迅速な方法です。これは当然のことながら小さいサンプルの可能性のみです。</li>
	<li>実験の終わりには、数時間で部屋の温度まで室内をゆっくり冷却し、試料ホルダーと一緒にサンプルを削除します。気候室コンピューターから温度を確認します。 注: また、湿度中に例えば、800 W/m2 (紫外線)、他の光の強度を使用することが可能だし、温度も変化する自然。その場合は、異なる光強度の得られた電気パラメーターを修正必要があります。CIGS 太陽電池の直後頃に電気パラメーターに予期せぬ変化が発生したことが観察された (例えば、15 分) 点灯 (と光源によって加熱) ないです。照明をつけっぱなしにお勧め場合この効果は研究の目的は、継続的に14。</li>
</ol>5. 解析劣化し、セルを参照
<ol><li>劣化の設定で露出時間の関数としての電気的パラメーターの開発をプロットします。</li>
	<li>サンプルは STC で電気パラメーターを取得する設定から削除された後直接劣化太陽電池の元場IV 測定を繰り返します。正確な電流密度と波長依存性の吸収のため外部量子効率測定を繰り返します。</li>
	<li>再び照らされたロックイン赤外線マッピングと発光マッピングを記録し、ビジュアルと横方向の欠陥の変更を識別するために (顕微鏡) の写真を撮る。劣化前とに、同じ設定を使用します。</li>
	<li>(断面) 走査型電子顕微鏡エネルギー分散型 x 線分光 (SEM ・ EDX)31、x 線回折 (XRD)31、二次イオン質量分光法 (SIMS) の31、および温度のような他の分析手法を使用して、依存電流電圧 (IV(T))31故障メカニズムを識別するため。<ol>
<li>低下両方のこれらの破壊的な分析を実行し、CSI セットアップにおける暴露による変化を観察するためのサンプルを参照します。</li>
	</ol>
</li>
</ol>6 劣化機構とモードの定義
<ol><li>太陽電池モジュールの長期的安定性の劣化機構とその影響を定義するすべてのデータを結合します。</li>
</ol>

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</ol>

著者エリック ブレーマーハーフェン (レラ ソリューション)、ステファン Roest (永遠の太陽) とピーター Hielkema (Hielkema 機) は、これらの設定を製品化コンソーシアムにより雇われています。これらの設定 (ミリアム Theelen、ヘンク ・ Steijvers (TNO) の作者) の発明者の雇用者は、本コンソーシアムとのライセンス契約を保持しています。

太陽電池およびモジュールの電気的パラメーターのリアルタイム モニタ リングのための 2 つの CSI 設定を設計し、構築すると.これらの設定は、湿熱、照明、およびもその場でPV デバイス IV パラメーター決定中の電気的バイアスに同時露出を許可します。これらの設定は、長期安定性に包装されていない太陽電池セルまたはモジュール組成だけでなく、環境ストレス (湿度、照明、電気的バイアス、温度) の影響を研究に使用されています。図 3図 4図 5図 6図 7は、これらのセットアップで得られた結果の選択を表示します。
安定性 (図 3図 4図 6図 7) 研究の結果から、提示する必要があります常に注意をもって扱われる: モジュールの安定性、すべての制約にこれらの研究からの翻訳をするために加速寿命試験 (本研究を含む) の PV デバイスの安定性に考慮する必要があります。これらの制約は、実験室の条件が間違っている (の重大度) 応力の選択のためいくつかの劣化機構が見つからないことが、急速に劣化メカニズムを識別するために意図されているという事実によって引き起こされます。さらに、選択した条件予想期間後劣化機構とフィールドで発生しない、または前に、またはフィールドに現れる結果として失敗につながるかもしれない。湿熱条件 (85 °C/85% RH)、たとえば中の 219 の加速因子が想定されます、参照25このレートはしばしば非線型と CIGS モジュール 10 ~ 1,000、異なる劣化メカニズムのために変わることができることを示した。
提供される結果のフィールド モジュールの最も重要な違いの有効性を推定するには、露出と提示実験すべきアカウント。
a. 使用される実験室の条件は、加速試験の本質的な要件、フィールド条件よりも厳しいです。また、これらの実験の条件は、フィールド内のモジュールは継続的に環境の変化にさらされる中、定数、主。
b. 提示実験で太陽電池の非パッケージが使用されました。当然、バリヤー材とエッジ シールは (特に湿気のある条件) 下でデバイスの安定性に重要な役割を果たすでしょう。さらに、相互接続と封止材料の影響も非常に重要な無視すべきではないです。確かに、パッケージと相互接続されたミニ モジュール実験もこれらの設定で可能です。
c. 照明するため図 3図 5図 6図 7で示した実験は、IV カーブが記録されていないときオープン回路条件の下で実行されました。ただし、セルは、逆に部分的なモジュールがシャド ウイングの場合バイアス条件にさらされること、モジュールに MPP の条件の下で機能します。限られた MPP と開放状態の違い図 4番組がその特定の実験で観察されたが、それは他のセルまたは条件の異なる場合があります。
d. CIGS 太陽電池の構成は、長期的な安定性に大きな影響をが。安定性組成の影響に関する研究の例は、参照16,20で例えば見つけることが。太陽電池スタック内の多くの小さな変更の影響の正確な性質はまだ特定されていないので、期待されるより遅い速くか劣化が生じる可能性があります。
上記の要因は、劣化条件とサンプル組成の変化加速寿命研究の数が多いが本当にフィールド、モジュールのパフォーマンスを予測するために必要なことを示します。さらに、これらの結果は、太陽電池モジュールの長期的な安定性についての完全な画像を取得する圃場試験にしたがって組み合わせる必要があります。
しかし、本論文で示した設定がその場の監視し同様に結合された圧力の露出のための標準的な IEC テストと比較して大幅に改善であることを提案します。これらのプロパティは大きく加速寿命実験の予測の価値を向上させ、劣化メカニズムの私達の理解を高めます。'標準' (例えば、IEC 61215) と比較して 4 つの主な利点のテストは、次の機能。
複合応力 (すなわち温度、湿度、照明、および電気的バイアス) への露出の下で a. テストは。
地元の気候 (例えば砂漠や極地条件) をシミュレートするために組合せ応力の b. チューニング。
c. チューニング電気バイアス、例えば、部分的なシェーディングの効果をシミュレートするの。
+ リアルタイムより簡単なとより速くより良い予測または知識の増加レベルのため劣化機構の制限だけでなく、テストを許可するデバイスのパフォーマンスを監視します。
e. 減少試験時間、テストを直接停止できるので、障害が発生した、後ではなく定義のテスト期間 (例えば、1,000 h)。
したがって、定性的および定量的な理解と太陽電池モジュールの長期安定性の予測寿命研究発表のセットアップが大幅に向上を提案します。将来は、'その場測定と結合されたストレス テスト ' を提供しているセットアップ (CSI) 実物大のモジュールが開発される: 40 cm x 40 cm と 100 cm × 100 cm の照明分野でのセットアップ フルサイズ PV モジュールには小さすぎる、そう増加する計画、 この組合せ応力測定概念のスケールは進行中です。

太陽光発電システムは、再生可能エネルギーのコスト効率の良いフォームと見なされます。太陽電池モジュールは、これらの太陽光発電システムの中核部分を表しておよび以上 25 年 (例えば、この期間後に最大効率 20% 損失)1の性能保証と一般的に販売されています。消費者とこれらの条件が満たされている投資家の信頼が重要です。電気降伏する必要がありますしたがって安定と高できるだけ上少なくとも目的のモジュール寿命。これは遅いしかし安定した低下2の例えば生産エラーのため発生する可能性がある予期しない早期モジュール障害削減によって管理されなければなりません。フィールド観測モジュール失敗例は、潜在的な誘起劣化 (PID)3と結晶シリコン モジュールの光誘起劣化 (蓋)4または水の CIGS モジュール5,6誘起腐食,7,8. 太陽光発電モジュールの縮小フィールド寿命を防ぐために劣化メカニズムしたがって特定し、最小限に抑えます。
太陽電池セルまたはモジュールで発生する劣化メカニズムの理解の改善は太陽光発電モジュール生産コストの削減にも役立つだろう: モジュール保証寿命を提供する多くのケースで環境ストレスに対して保護の資料を紹介します。これはフレキシブル薄膜モジュールの cigs 太陽, 水の進入を防ぐために高価な障壁を含むような例では true です。このようなモジュールのすべての包装材料は、モジュールのコストの 70% までを行うことができます。これらの保護材は、必要な有効期間を取得する必要がありますするために過度に寸法: 劣化メカニズムに関する詳細な知識がより本質的に安定したより正確に予測可能な太陽電池を作るしたがって。モジュールとその成分の長期安定性について理解を深めるだろうしたがって可能性が高い防止過寸法記入でき、これらの保護材のコストを削減。
一般的なモジュールの信頼性評価を与えるためには、太陽電池とモジュールは今日テストおよび認定加速寿命試験 (ALT)9。最も深遠な資格試験は、太陽電池モジュールの安定性に関する意思決定の"go"を与える国際電気標準会議 (IEC) 61215 テスト10によって定義されます。しかし、Osterwaldら11では、IEC のテストの肯定的な結果が意味ないこと常に PV モジュールが 25 以上年の屋外条件を立つことができることを明らかにしました。これは相関関係を限られたフィールドと実験室間が比較的新しい薄膜モジュール12の特に本当であるに示されたテストします。
これらのテストは、('どのプロセスか強調するリード観測遅いモジュールの劣化、または急速なモジュール エラー') の劣化メカニズムに洞察力を得られない。また、現在シングルまたはデュアルのストレス要因 (たとえば機械的ストレス、または結合された温度・湿度) に基づいていますこれらのテストは、確かに模倣できないフィールドの動作信頼性の高い方法でフィールドにおける PV モジュールがたくさん件名以来応力の組み合わせ (例: 温度、湿度、風、雪、イルミネーション、ほこり、砂、水)。これらのストレスはまた気候帯ごとに変更できます: 砂漠中温度と照明が可能性が高い重要なストレス要因;適度な気候でたとえば湿度の影響で非常に重要なことができます。劣化と様々 な気候の結果として失敗をシミュレート、多重ストレスのさまざまな組み合わせがこのように必要です。したがって、複数の応力を同時露光が特定の気候でモジュールの信頼性の良い推定を得ることが非常に重要、複合ストレス テスト従って実験室試験の一部をする必要があります。
したがって、複合ストレス条件下で発生する劣化メカニズムの定性的および定量的な理解を改善すべきことを提案します。理想的には、太陽電池セルまたはモジュールに関する情報は、露光中にデバイスの変更を識別できるように、これらのテスト中にも収集する必要があります。したがって、設計し、照明電気バイアス、(高) 温湿度同時露光を許可する 2 つの設定を構築します。これらの設定でこれらのストレスの重大度も調整できる実験の目標に応じて。また、照明により、その場で太陽光発電装置 (図 1)13,14,15,16,17,18,の監視19,20です。 これらの種類のテスト 'の in situ測定、複合ストレス テストの名前になります (CSI)。このプロトコルでは、' CSI 1' と ' CSI 2」という 2 つのハイブリッド劣化セットアップが表示されます。特に薄膜 CIGS 太陽電池の劣化と性能の理解の向上を目指し、多くの研究は、これらのセットアップで実行されました。安定性と温度依存性結果を得られた包装の cigs 薄膜やヘテロ接合型太陽電池の選択が表示されます。詳細については、21,22もあります。
<img alt="Figure 1" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55897/55897fig1.jpg"> 図 1: '組合せ応力の場測定とテスト' セットアップします。左: 計測システムを含む CSI セットアップの図式的な概観。中央と右: CSI のセットアップの写真 (気候室プラス太陽光シミュレータ、描かれていない計測システム、セットアップは、異なるサイズを持っている)。真ん中は CSI1 を右は CSI2。この図は、19,30から変更されています。<a href="//cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55897/55897fig1large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。

<table><tbody><tr><td>ハイブリッド劣化セットアップ</td><td>永遠の太陽</td><td>気候チャンバーソーラーシミュレータ</td><td>詳細については、こちらをご覧ください:</td></tr> <tr><td>http://www.eternalsun.com/products/climate-chamber/ サンプル</td><td>ホルダーReRaソリューション</td><td></td><td>詳細については、こちらをご覧ください: https://www.rerasolutions.com/</td></tr> <tr><td>サンプルラック</td><td>デモデルフト</td><td></td><td>詳細については、こちらをご覧ください: http://www.demo.tudelft.nl/</td></tr><tr><td>金蒸着ツール</td><td>Polaron Equipment Ltd</td><td>SEMコーティングユニットE5100</td><td>SEM測定用Au蒸着用ツール</td></tr><tr><td>トレーサーIVソフトウェア</td><td>ReRa Solutions</td><td></td><td>詳細情報はここにあります: https://www.rerasolutions.com/product/tracer-iv-software/</td></tr> <tr><td>太陽電池</td><td>Solliance</td><td></td><td>詳細については、http://www.solliance.eu.&nbsp; 太陽電池セルとモジュールは、他の多くの大学、研究機関、企業からも入手できます</td></tr><tr><td>PLマッピングセットアップ</td><td>GreatEyes</td><td>LumiSolarCell</td><td></td></tr><tr><td>ILITマッピングセットアップ</td><td>Infratec</td><td>ImageIRカメラとSunfilm IRレンズ</td><td></td></tr><tr><td>光学顕微鏡</td><td>Leica</td><td>Wild M400</td>と<td>ライカDFC 320カメラおよびライカアプリケーションスイートソフトウェアの組み合わせ、バージョン4.3.0</td></tr><tr><td>IVテスタ</td><td></td><td>OAI OAI TriSolソーラーシミュレータ</td>と<td>ケースレーのSourceMeter 2400を組み合わせ、IVランナーソフトウェア、バージョン1.4.0.6を使用して制御</td></tr>。<tr><td>EQEテスター</td><td>自家製</td><td></td><td></td></tr></tbody></table>

その場で太陽電池とモジュールの加速劣化のモニタリング: cu (in, ga) se2太陽電池に関するケーススタディ

In Situ Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for Cu(In,Ga)Se2 Solar Cells

電気 (LCOE) 太陽光発電 (PV) システムの levelized コストは、他の要因は、太陽光発電モジュールの信頼性によって、決定されます。劣化機構のより良い予測とモジュール フィールド障害の予防することができますその結果投資リスクを減少させると同様電気の収穫を増加します。知識の向上レベル減らすことができるこれらの理由により太陽光発電電力の総コスト。
良い理解し、太陽電池モジュールの劣化を最小限に抑えるため、するために発生する劣化メカニズムと条件を識別します。フィールド内のモジュールも同時に複数のストレス要因にさらされているのでこれはできれば複合応力を受ける起こるべき。したがって、2 つ'その場測定による組合せ応力テスト' セットアップを設計されているし、構築します。これらの設定は、太陽電池・ ミニモジュール応力を独立して制御要因として、湿度、温度、照明、および電気的バイアスの同時使用を許可します。セットアップでは、これらのサンプルの電気的特性をリアルタイムで監視できます。このプロトコルは、これらの設定を示し、実験的な可能性を説明します。さらに、これらのセットアップで得られた結果はまた本: Cu 薄膜の堆積と分解条件の安定性に及ぼす影響について様々 な例 (In, Ga) Se2 (cigs 太陽) と Cu2ZnSnSe4 (ヘテロ接合型) 太陽電池を説明します。CIGS 太陽電池の温度依存性に関する結果も報告します。

CSI のセットアップは、幅広い実験に使用されています。実験両方はセルやモジュールの構成とデザイン、分解条件の影響に関する影響に焦点を当てています。電気的パラメーターの開発のいくつかの例は、次の図に表示されます。図 3図 5図 6図 7での測定は、図 4は、CSI2 で得られた間 CSI1 で撮影されました。これらの数字で器具効率、開回路電圧シャント抵抗のいずれかを表現するために選択されることが、他のパラメーターのプロットはまたできます。 当然のことながら。
図 3と図 4は、湿度障壁やその他のパッケージ材料なしアルカリ豊富な cigs 薄膜太陽電池の安定性に関する劣化条件の影響を表示します。図 3は、湿気のない状態でほぼ安定している照明・熱・湿度にさらされる場合、これらのセルが劣化することを示しています。これは、これらの太陽電池やアナログ モジュールの湿度15に対してよくパッケージ化するときに完全に安定なことを示します。潜在的なパッケージ材料には、ガラスだけでなく柔軟な障壁、有機無機のマルチ スタック15に基づいている多くの場合自然含んでいます。今後の実験では、これらの可能性はテストも。これらの結果もこのパッケージの素材は暑くて乾燥した気候に必要かもしれないことを示します。図 4は、湿った熱に加えて、照明にさらされるとバイアス電圧の影響を示していますこれらの予備的な結果を示す可能性が高い低負電圧 (-0.5 V、グレー曲線) が短絡、断線、より安定性により否定的な効果を持つこと。MPP 条件18と。
<img alt="Figure 3" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55897/55897fig3v2.jpg">
図 3: CIGS 太陽電池の安定性に及ぼす湿度の影響。露出の関数として包装の CIGS 太陽電池の効率の開発照明時間し、湿熱 (青) で撮影した高温ドライ熱 (赤)。すべての行は、1 つの太陽電池セルを表します。この図は、参照15から変更されています。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55897/55897fig3large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
<img alt="Figure 4" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55897/55897fig4v2.jpg"> 図 4: CIGS 太陽電池の安定性に及ぼす電気的負荷。様々 な電圧と湿熱、照明を時間の関数としてパッケージ化されていない細胞の効率の進化。灰色、青、緑、および赤の曲線を示す露出-0.5 V、0 V 〜 VMPP、開回路状態、それぞれ。これらのパラメーターは高温で得られる部屋の温度効率が約 50% より高い。すべての行は、1 つの太陽電池セルを表します。この図は、参照18から変更されています。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55897/55897fig4large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
低速の加熱による (0.1 0.3 ° C/分) 加熱段階、リアルタイム測定の中にこれらの設定も自動的に太陽電池の温度依存性の測定を許可します。図 5には、劣化実験前に加熱曲線から得られるオープン回路電圧の依存関係が表示されます。このグラフは、開回路電圧 (Voc) 温度 (描かれていない) 様々 な CIGS 太陽電池、直列抵抗と短絡電流のような他のパラメーター間の依存関係表示さらに大きな違いを示していますセルとの差。その他のパラメーターの開発は、参照34で見つけることができます。
<img alt="Figure 5" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55897/55897fig5v2.jpg"> 図 5: CIGS 太陽電池の温度依存性です。2 包装 CIGS 太陽電池の開回路電圧 (Voc) の温度依存性。指定した色で異なる太陽電池設計: 青い正方形セルの設計・成膜の手順とサンプルを表すは、前述のよう。赤い丸は、吸収体のイオン照射アシスト共に預けたとポリイミド箔上の非パッケージ CIGS 太陽電池を示します。すべての行は、1 つの太陽電池セルを表します。この図は、参照34から変更されています。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55897/55897fig5large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
図 6は、太陽電池の組成のわずかな違いはデバイスの安定性に大きな影響を持つことができますを示しています。この実験は、大量のナトリウムやカリウムを含むアルカリ豊富なサンプルが初期の効率を持っていたが、彼らはまたより急速に低下を示した。その一方で、アルカリ要素 (「アルカリが悪い」サンプル) の少量を含むだけでほぼ一定の包装されていない太陽電池も生産されました。これらの太陽電池はほとんど本質的に安定していたため、任意の保護材を必要としなかった。分析結果元場と組み合わせたこの情報に基づいて、これらのサンプルの主な劣化メカニズムを識別できる: アルカリ豊富なサンプルの効率損失の背後にある主なドライバーが急激な減少が観察されました。シャント抵抗16。これらの細胞の性質の詳細な分析は、具体的にはナトリウム アルカリ元素の移行がこの減少を引き起こすように見えたことを表示されます。詳細については、参照16,20が表示されます。本研究の後の段階は、アルカリ貧困層試料の安定性とアルカリ豊富なサンプルの高い初期効率太陽電池の開発を目指しています。
<img alt="Figure 6" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55897/55897fig6v2.jpg"> 図 6: CIGS 太陽電池の安定性に及ぼすアルカリ成分。効率 (左) と湿った熱に加えて、照明にさらされる包装の CIGS 太陽電池の 2 種類のシャント抵抗 (右) の進化。ピンクと紫の線を表しアルカリ貧しいサンプル青い線アルカリ豊富なサンプル。部屋の温度効率が 30-80% 高い値は高温で得られました。すべての行は、1 つの太陽電池セルを表します。この図は、参照16から変更されています。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55897/55897fig6large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。
最後の例は、さまざまなヘテロ接合型サンプル19に焦点を当てください。図 7は、包装されていない太陽電池の種類が湿った熱に加えて、照明の下では異なる IV 動作を示すことを示します。それとこれらの細胞は理想的な太陽電池、効率性とこの図に表示されている電圧の増加可能性が高いヘテロ接合型太陽電池のための代表、通常は、この現象の説明は提供されませんでしたので注意してください。多くの研究は、これらの細胞の安定性についての信頼できる声明を与えるために実行される必要があります。
<img alt="Figure 7" class="xfigimg" src="/files/ftp_upload/55897/55897fig7v2.jpg"> 図 7: 湿った熱に加えて、照明にさらされるヘテロ接合型太陽電池。正規化されたオープン回路電圧と湿った熱に加えて高温撮影照明にさらされる時間の関数として 4 種類の最適化されていない包装ヘテロ接合型太陽電池の効率の進化。すべての色は、ヘテロ接合型太陽電池の種類を示しています。すべての行は、1 つの太陽電池セルを表します。この図は、参照19から変更されています。<a href="https://cloudflare.jove.com/files/ftp_upload/55897/55897fig7large.jpg" target="_blank">この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください</a>。

太陽電池とモジュールの加速劣化をリアルタイムで監視できるように、2 つの 'の in situ測定と結合されたストレス テスト' セットアップは設計され、建設されました。これらの設定は、湿度、温度、電気的バイアスの同時使用を許可して照明がストレス要因を個別に制御します。セットアップと実行される様々 な実験が掲載されています。

その場で太陽電池とモジュールの加速劣化のモニタリング: Cu (In, Ga) Se2太陽電池に関するケーススタディ

The levelized cost of electricity (LCOE) of photovoltaic (PV) systems is determined by, among other factors, the PV module reliability. Better prediction ...

この方法は、光起電力の信頼性に関する重要な質問に答える助けとなり、照明、電気負荷、湿度、温度の組み合わせ効果について説明します。標準的な非ストレス信頼性試験と比較して、この方法には、複合応力への曝露、テスト時間の短縮、およびデバイスのリアルタイムパフォーマンス監視という利点があります。応力の組み合わせは、極地や砂漠の条件などの地域の気候をシミュレートするように調整できます。電気的バイアスは、個人のシェーディングなどの効果をシミュレートするように調整できます。リアルタイムのパフォーマンス測定により、より迅速かつ簡単なテストが可能になります。それは私たちに劣化のプロセスについて多くのことを学び、デバイスで発生する劣化メカニズムのより良い予測または防止を可能にします。この手順のデモンストレーションは、すべてソリシャス出身のハンク・シュタイバース、クラース・バッカー、カロリエン・サリウです。手順を開始するには、二重層スタックシーケンスで直流スパッタコーティングによって、0.5ミクロンのモリブデンをソーダライムガラス基板に堆積させる。次に、1モルの水酸化ナトリウムと0.3モルモルカリウムフェロシアン化物の溶液を使用して、1つの長い側の縁にあるモリブデンに6ミリメートル幅のストリップを電気化学的にエッチングする。次に、銅、インジウム、ガリウム、セレン雰囲気下の真空チャンバにコエバポレーションにより、2ミクロンの厚いCIGS吸収剤層を堆積させる。その後、化学浴蒸着により試料に硫化カドミウム50ナノメートルを堆積する。無線周波スパッタリングを使用して、サンプルに50〜65ナノメートルの固有酸化亜鉛と80〜1,000ナノメートルのアルミニウムドープ酸化亜鉛を堆積させます。次に、ブレードを使用して、サンプルの非エッチングされた長いエッジの14ミリメートル幅のストリップの上4つの層を取り除き、モリブデンの背中の接触をそのまま残します。サンプルにマスクを中央に置き、スパッタは60ナノメートルの金でサンプルエッジをコーティングして接点を形成し、ガラスカッターまたはダイヤモンドペンを使用してサンプルを7ミリメートル幅にカットし、7ミリメートル×5ミリメートルのセル表面でサンプルを形成します。あなたが信頼できる方法でそれらを連絡することができる限り、あなたが望む任意のデバイス、任意の太陽電池、任意のモジュールをテストすることができます。これは、金のような安定した材料で作られた接点を必要とします。そうしないと、デバイスの代わりに連絡先の安定性をテストしている可能性があります。次に、4点プローブ構成で、サンプル太陽電池のexsitu電流電圧性能を標準条件で測定します。次に、IR照明と15ミクロンのIRカメラレンズを備えた照明付きロックインサーモグラフィー装置の下にサンプルを置きます。サンプルを照らし、空間の違いを温度でマッピングします。これを使用して、有用なサンプルと不良なサンプルを特定します。その後、高出力LEDを備えた光発光マッピング装置の下にサンプルを置き、空間光発光画像を記録します。また、エレクトロルミネッセンス、分光光発光、外部量子効率測定、顕微鏡検査など、他にもいくつかの解析手法を使用する必要があります。これらの測定の前後の露光に基づいて、劣化メカニズムを決定し、事前露光特性にリンクすることができます。この方法で、各サンプルの視覚および横方向の欠陥を評価します。少なくとも 2 つの非隣接サンプルを、アルゴンで満たされたグローブ ボックスに参照として格納します。セルに影を落とさないサンプルホルダに非参照太陽電池を取り付けます。ホルダーの測定ピンがサンプルの前面と背面の金の接触に接触していることを確認します。サンプルホルダーをCSIセットアップのサンプルラックに置き、太陽電池と測定ツールとの間の電気的接触を可能にします。熱電対をサンプルに接続します。空気質量 1.5 光源で照明用のサンプル ラックを配置し、測定装置、電気負荷、および制御コンピュータの電源を入れます。計測ロギングソフトウェアを開いて計測器を初期化し、測定用の照明プロファイルを設計します。次に、サンプル情報を入力し、各サンプル位置にリンクされた熱電対を選択します。次に、初期電圧、最終電圧、および電流電圧測定のステップ数を設定します。現在の電圧データの自動保存位置を設定します。必要に応じて、サンプルの電気的バイアスを定義します。次に、測定シーケンスを作成し、適切なサンプル位置を追加します。自動測定ウィンドウでシーケンス間の待ち時間を設定し、続いて相対湿度を85%に急速に増加させ、次に気候室シーケンスを開始し、照明をオンにし、監視ウィンドウに切り替え、電流電圧測定の記録を開始します。チャンバーと85°Cまでのランプの間のサンプル温度を監視します。電気的パラメータが記録され、電流電圧曲線が生成されていることを確認します。チャンバーが摂氏85度に達したら、チャンバー湿度が85%に増加することを確認して、分解実験の開始時間としてこれを注意してください。サンプルを計器に数百~数千時間放置し、5~10分ごとに電流電圧曲線を測定します。必要に応じて、実験中にサンプルに適用される電気的バイアスを調整します。実験の最後に、チャンバーがサンプルを取り除く前に数時間にわたって室温まで冷却することを許可する。電気パラメータの変化を露光時間の関数としてプロットします。チャンバーから冷たいサンプルを取り出し、すぐに元の場で測定を繰り返します。露光前に使用したすべての測定値を実行します。その後、X線回折、二次イオン質量分光、走査型電子顕微鏡、SEM、X線光電子分光法、およびその他の手法を用いて、分解サンプルと参照サンプルの両方を特徴付け、故障メカニズムをさらに調査します。この例では、CIGS太陽電池分解実験の前の温度ランプの間に記録されたデータは、開放回路電圧が温度の関数として変化したことを示した。これらのCIGS太陽電池は、光、熱、湿度に同時に曝露すると効率が低下します。太陽電池を乾燥熱と光にさらした場合、最小限の劣化が観察された。ここで低い負バイアス電圧は、湿熱と光の短絡、開放回路、または最大電力点条件よりもCIGS太陽電池の安定性に対してより悪影響を及ぼしました。高ナトリウムおよびカリウム含有量で製造された一連のCIGS太陽電池は、湿った熱で照らされると高い効率を示したが、標準的な細胞よりも速く分解した。しかし、低アルカリ含分で作製した細胞は、同じ条件下で比較的安定した状態を保っていた。さらなる分析は、ナトリウムの移動に起因するアルカリリッチ細胞のシャント耐性の対応する急激な減少を明らかにした。これらの結果に続いて、デバイスを再び徹底的に分析する必要があります。これらの結果に基づいて、デバイスの劣化メカニズムを決定することができる。この手法により、フルスケール・モジュールの劣化動作の判別も可能になります。

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Engineering

工学

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