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 Overvågning af accelereret ydeevne nedbrydning af solceller og moduler: en Case Study 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 'Kombineret stresstest med i situ måling' opsætninger, som giver mulighed for tidstro overvågning af accelereret nedbrydning af solceller og moduler, var konstrueret og bygget til. Disse opsætninger tillader samtidig brug af fugtighed, temperatur, elektriske bias, og belysning så uafhængigt kontrolleret stressfaktorer. Opsætninger og forskellige eksperimenter udført præsenteres.

Abstract

Levelized prisen på elektricitet (LCOE) af solceller (PV) systemer er bestemt af, blandt andre faktorer, PV modul pålidelighed. Bedre forudsigelse af nedbrydning mekanismer og forebyggelse af modul felt fiasko kan derfor mindske investeringsrisikoen samt øge elektricitets udbytte. En forbedret viden niveau kan af disse grunde betydeligt mindske de samlede omkostninger ved PV elektricitet.

For at bedre at forstå og minimere nedbrydning af moduler, PV, skal forekommende nedbrydning mekanismer og betingelser identificeres. Det bør helst ske under kombineret understreger, da moduler i feltet udsættes også samtidigt til flere stressfaktorer. Derfor er to 'kombineret Stress test med i situ måling' opsætninger blevet designet og konstrueret. Disse opsætninger tillader samtidig brug af fugtighed, temperatur, belysning og elektrisk bias som uafhængigt kontrolleret stressfaktorer på solceller og minimodules. Opsætninger giver også mulighed for real-time overvågning af de elektriske egenskaber af disse prøver. Denne protokol udgør disse opsætninger og beskriver de eksperimentelle muligheder. Desuden opnåede resultater med disse opsætninger er også præsenteret: forskellige eksempler om både deposition og nedbrydning betingelser indflydelse på stabiliteten af tyndfilm Cu (i, Ga) Se2 (CIGS) samt Cu2ZnSnSe4 (CZTS) solceller er beskrevet. Resultater på temperatur afhængighed af CIGS Solcellerne er også præsenteret.

Introduction

PV systemer anses for at være en omkostningseffektiv form for vedvarende energi. PV moduler repræsenterer kernen i disse PV systemer og er normalt sælges med en opfyldelsesgaranti i over 25 år (f.eks., maks 20% effektivitet tab efter denne periode)1. Det er afgørende for tilliden af forbrugere og investorer at disse garantier er opfyldt. Elektricitets udbytte bør derfor være så stabil og høj som muligt mindst ønskede modul levetid. Dette bør forvaltes ved reduktion af både langsom men konstant nedbrydning2 og uventede tidlig modul fiaskoer, som for eksempel kan opstå som følge af produktionsfejl. Eksempler på observerede modul fejl i feltet er potentielle induceret nedbrydning (PID)3 og lys induceret nedbrydning (LÅGET)4 for krystallinsk silicium moduler eller vand induceret korrosion i CIGS moduler5,6 , 7 , 8. for at forhindre en reduceret feltet levetid af moduler, PV, nedbrydning mekanismer bør derfor identificeres og minimeres.

Forbedret forståelse af nedbrydning mekanismer opstår i solceller eller moduler ville også bidrage til at sænke PV modul produktionsomkostninger: i mange tilfælde beskyttelsesmidler mod miljøbelastninger introduceres i moduler for at kunne tilbyde de garanterede levetid. Dette er for eksempel tilfældet for fleksibel tynd film moduler, som CIGS, der indeholder et dyrt barriere for at undgå vand indtrængen. Alle pakke materialer i sådanne moduler kan gøre op til 70% af omkostningerne, modul. Disse beskyttende materialer er ofte over målsat for at være sikker på at opnå den krævede levetid: mere viden om nedbrydning mekanismer kan derfor gøre solceller mere uløseligt stabil og mere præcist forudsigelige. Bedre forståelse om den langsigtede stabilitet af modulet og dens bestanddele vil derfor sandsynligvis forhindre over dimensionering og tillade reducerede omkostninger for disse beskyttende materiale.

For at give en generel vurdering af modul pålidelighed, er solceller og moduler i dag testet og kvalificeret af accelereret levetid Tests (ALT)9. De mest dybtgående kvalifikation tests er defineret af den Internationale Elektrotekniske Kommission (IEC) 61215 test10, som giver "go/no go" beslutninger om stabilitet af moduler, PV. Dog Osterwald et al. 11 afslørede, at et positivt resultat af IEC tests ikke altid indikerer at modulet PV kan stå udendørs betingelser for 25 eller flere år. Denne begrænsede sammenhæng mellem felt- og laboratorie test blev vist sig for at være især tilfældet for den relativt nye tyndfilm moduler12.

Disse tests give ikke indsigt nedbrydnings mekanismer ('hvilke processer og/eller som understreger føre til observerede langsom modul nedbrydning eller hurtig modul fejl?'). Desuden, disse tests, som er i øjeblikket baseret på enkelt eller dobbelt stressfaktorer (f.eks. mekanisk stress, eller kombineret temperatur og luftfugtighed) kan helt sikkert ikke simulere felt adfærd på en pålidelig måde, eftersom PV moduler i feltet er emne til talrige kombineret understreger (for eksempel: temperatur, luftfugtighed, vind, sne, belysning, støv, sand, vand). Disse belastninger kan også variere pr. klimazone: mens i ørkenen, temperatur og belysning er sandsynligvis vigtigt stressfaktorer; i et moderat klima, kan påvirkning af for eksempel luftfugtighed også være meget vigtigt. For at simulere nedbrydning og deraf følgende fejl i forskellige klimaer, er forskellige kombinationer af flere understreger således påkrævet. Derfor samtidig eksponering for flere understreger er meget vigtigt at få et godt skøn over modul pålidelighed i en bestemt klima, og kombinerede stresstest bør således indgå i laboratorieforsøg.

Det foreslås således, at kvalitativ og kvantitativ forståelse af nedbrydning mekanismer optræder under kombineret stress bør forbedres. Oplysninger om solcelle eller modulet bør ideelt set også indsamles under disse tests, at tillade identifikation af enhedens ændringer under eksponeringen. Derfor har vi designet og bygget to opsætninger, der giver mulighed for samtidig eksponering for fugt, (forhøjede) temperaturer, elektriske bias og belysning. I disse opsætninger, kan sværhedsgraden af disse belastninger også indstilles, afhængig af målet med et eksperiment. Derudover belysningen giver mulighed for i situ overvågning af PV enheder (figur 1)13,14,15,16,17,18, 19 , 20. disse typer af forsøg vil blive navngivet 'Kombineret stresstests med i situ målinger' (CSI). I denne protokol, vil to hybride nedbrydning opsætninger, navngivet 'CSI 1' og 'CSI 2', blive præsenteret. Mange undersøgelser, der tager sigte på forbedring af forståelse af ydeevne og nedbrydning af især tynde film CIGS solcellerne, blev henrettet med disse opsætninger. Et udvalg af stabilitet og temperatur afhængighed resultaterne på uemballerede CIGS og CZTS solceller er præsenteret. Mere information kan også findes i21,22.

Figure 1
Figur 1 : 'Kombineret Stress test med i situ målinger' setup. Venstre: Skematisk oversigt over en CSI setup herunder målesystemet. Midterste og højre: fotografi af CSI opsætninger (klima kamre plus solar simulatorer, målesystemer ikke afbildet, opsætninger har forskellige størrelser). Midten er CSI1, rigtige er CSI2. Dette tal er blevet ændret fra19,30. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Protocol

Bemærk: Punkt 1 og 3 er specifikke for nedbrydning afprøvning af CIGS og CZTS solceller via denne procedure, men alle andre typer af solceller (f.eks., perovskites, økologisk PV og krystallinsk silicium) er eller vil blive testet med disse opsætninger. Det skal bemærkes, at en prøveholderen for hver enhedstype og geometri, bør udformes. Disse indehavere skal have ikke-korrosion kontakter til at forhindre kontakt forringelse, da dette ville forvanske virkningerne af enheden nedbrydning. Derudover anbefales det at kontakte prøver i en konfiguration med fire-punkts sonde til at forhindre måling af resultaterne af korroderede kontakter eller ledninger i målesystemet.

1. forberedelse af CIGS solcellerne

  1. Brug handsker i alle trin af protokollen, når du håndterer solceller: beskytte mod de giftige elementer, men også undgå aflejring af uønskede materialer, ligesom køkken salt (NaCl), på prøverne.
  2. Skær en 1 mm x 100 mm x 100 mm soda kalk (SLG) glas prøve i fire 100 mm x 25 mm rektangulære strimler med et glas kutter eller diamond pen for at udarbejde egnede substrater.
  3. SLG prøven anbringes i et sputter coater. Deponere 0,5 µm tykt molybdæn tilbage kontaktpersoner ved jævnstrøm (DC) sputtering ved stuetemperatur på glas substrater23.
    1. Vælg mellem forskellige stak sekvenser, herunder et enkelt lag, en tolagede og en multiplayer stak. For eksempel, deponere et dobbeltlag med en høj oprindelige sputtering pres (fx, 0,03 mbar) efterfulgt af en lavere spruttende pres (fx, 0,003 mbar) på effekttætheder af 1-5 W/cm2.
  4. Forberede en etch løsning af 1 M NaOH og 0,3 M K3Fe(CN)624. Elektrokemisk etch en 6 mm stribe af molybdæn væk til at deponere en mønstrede tilbage kontakt.
    Bemærk: På denne måde, solcelle har et veldefineret område uden solcelle områder er omfattet af gold-kontaktpersoner, som måske stadig dels bidrage til de elektriske parametre.
  5. Prøven anbringes i et vakuumkammer og deponere et 2 µm tykt CIGS absorber lag af en coevaporation proces under en kobber, indium, gallium og selen atmosfære25.
    1. For eksempel, bruger typisk substrat temperaturer på 550 og 600 ° C og følg aflejring af tre-trins proces, første danner (i, Ga)2Se3 ved fordampning af indium, gallium og selen, efterfulgt af dannelsen af en kobber rige CIGS skyldes tilsætning af store mængder kobber. Slukke kobber fordamperen til at danne de nødvendige kobber-fattige CIGS absorber i tredje fase.
    2. Alternativt, brug en to-trins deposition ved atmosfærisk tryk til en billig proces. Udføre CuInGa deposition, enten ved vakuum spruttende eller ved atmosfærisk tryk elektrokemiske deposition. Følg dette ved selenization under et elementært selen atmosfære26 i en bevægende bælte selenization ovn.
  6. Prøven anbringes i et kemisk bad og deponere cd'er buffer af en "kemisk bad deposition" (CBD) processen med en tykkelse på 50 nm27. Typisk bruge en vandbaseret løsning af NH4OH, CdSO4og thiourinstof (NH2CSNH2) ved en temperatur på ~ 70° C.
  7. Prøven anbringes i et spruttende værktøj og deponere i-ZnO / ZnO:Al front kontakt af Radio Frequency (RF) sputtering fra jeg-ZnO og ZnO:Al mål med tykkelser henholdsvis 50 nm og 800-1.000 nm28.
    1. For jeg-ZnO målrette brug et lag af en ren ZnO mål og brug en ZnO keramisk med 2% Al2O3 for ZnO:Al lag. Brug deposition temperaturer mellem stuetemperatur og 200 ° C. Undgå brug af en ledende metal gitter i den øverste elektrode, da dette ikke anvendes i kommercielle moduler. Derfor bruge dette forholdsvis tyk ZnO:Al lag så tilstrækkelig ledningsevne i disse celler, der efterligner en modulet design.
  8. Forsigtigt skrabe væk en stribe af 14 mm (på den modsatte side af ætsning taktfast 1.4) af solcellen med en kniv.
    1. Ved at gøre brug af forskellen i hårdhed af lagene, fjerne kun de øverste lag (ZnO:Al / jeg-ZnO/cd'er/CIGS) og efterlade molybden tilbage kontakt intakt. Form solceller med en bredde på 5 mm, svarende til bredden af en celle i et modul.
  9. Prøven anbringes i et guld spruttende værktøj og dække det med en stribe i midten som en maske, så at intet guld er deponeret på solcellen. Deponere guldterminaler af ~ 60 nm tykkelse ved sputtering ved stuetemperatur på både den tilbage kontakt (molybdæn) og den forreste kontakt (ZnO:Al) for at give mulighed for at kontakte af celler.
    Bemærk: Brugen af en kontaktperson i en ædelmetal giver langsigtet eksponering af prøverne barske vilkår uden forringelse af kontakterne, således at celle nedbrydningen kan studeres.
  10. Skåret strimler med et glas kutter eller en diamant pen i 7 mm bred prøver, der nu har en celleoverfladen af ~ 7 mm x 5 mm og en samlet størrelse på 7 mm x 25 mm (figur 2).
    Bemærk: En skematisk gengivelse af tværsnittet samt en mikroskopi billede af en celle er vist i figur 2. Til eksperimenter med CZTS solceller, en anden deposition procedure af aktive absorber lag (CZTS) er blevet fulgt (svarer til reference29), mens alle andre lag var henlagt efter en analog procedure.

Figure 2
Figur 2 : CIGS prøve design. (top) Skematisk fremstilling af tværsnit af en CIGS prøve og (nederst) et mikroskop billede af en CIGS prøve taget fra toppen. Dette tal er blevet delvist ændret fra referencer14,30. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

2. analyse af solceller før nedbrydning

  1. Måle ex situ nuværende spænding (IV) ydelse af solceller under normale prøvebetingelser (STC, belysning: 1000 W/m² og AM 1,5, temperatur: 25 ° C) i en fire point sonde konfiguration til at bestemme de elektriske parametre med en IV tester.
    1. Måle eksterne quantum-udbyttet (EQE) for den nøjagtige strømtæthed og bølgelængde afhængige absorption30,31 med en spektrale reaktion (SR) setup og beregne den nøjagtige strømtæthed.
  2. Optage den belyste lock-in termografi (ILIT) kortlægning31 og fotoluminescens (PL) kortlægning31 med en stor forstørrelse og tage (mikroskopi) billeder til at identificere eventuelle visuelle og laterale defekter.
    1. Placer prøve under en ILIT enhed med varme detektor med en 15 µm linse for høj forstørrelse og en IR belysning kilde. Belyse prøven og optage den rumlige forskellen i temperatur til visitering af opvarmet.
    2. Sted prøve under en kortlægning PL setup til at opnå en rumlig fotoluminescens billede. Bruge en høj effekt LED lyskilde til belysning og en CCD kamera til registrering af data.
      Bemærk: Eksempler kan findes i henvisningerne15,16,20,30.
  3. Vælg en række solceller til nedbrydning eksperiment, samtidig med at placere resten af prøverne i en argon handskerum som reference. Vælg et blandet sæt af solceller, som reference og eksperimentelle prøver, så nogen forskel i de fulde dias (fx gradienter i sammensætning) er i den samme sværhedsgrad i eksperiment og reference prøverne.
    Bemærk: Dette kunne for eksempel, at celler med positioner 1, 3, 4, 5, 7 og 8 på dias er eksperimenterende celler, mens holdninger 2 og 6 er reference celler.

3. placering af solceller i stikprøven indehavere

  1. Placere solcellerne i stikprøven indehavere, der ikke kaster nogen skygge på celler og gøre kontakt mellem guld front og ryg kontakter og måling pins.
    Bemærk: Prøve indehavere er specielt designet til at modstå de barske forhold under prøverne, klima. Desuden, der er fremstillet af materialer, der kun har begrænset udstrømning.
  2. Placere prøve indehavere på prøve rack inde i opsætningen af CSI, som giver mulighed for elektrisk kontakt mellem solceller og måleværktøjer uden for opsætningen. Placer prøve rack på den dedikerede holdning, hvor det vil være oplyst af en AM 1,5 lys kilde.
    Bemærk: Lyskilde specifikationer er som følger. CSI1: 40 cm x 40 cm område, 1.000 W/m2, BAA kalibreret belysning; CSI2: 100 x 100 cm2 område, 1.000 W/m2, AAA kalibreret belysning, kalibreringer ifølge IEC60904-9:200732.

4. udførelse af nedbrydning eksperiment

  1. Tænd den sol simulator, måleudstyret, klima kammer, og computeren.
  2. Programmet måling computer, som styrer sol simulator, elektriske bias og klima kammer indstillinger. Definere spænding, spænding trin, måling sekvens og tid mellem målinger i IV måling software, og definere temperatur, luftfugtighed, bias spænding og belysning profiler i softwaren.
    Bemærk: Lad denne software styre målingerne under fuld eksperimentet.
    1. Typiske indstillinger for IV målinger, bruge spænding i området-0.2 V til + 1,0 V i 120 skridt (0,01 V/trin). Bemærk at i de fleste tilfælde systemet veksler mellem IV målinger for alle prøver og pauser for omkring 5 min.
  3. Stabilisere temperatur klima kammer og solceller i opsætningen. Observere prøve temperaturen i softwaren.
    NOTE: Et typisk temperatur for solceller er 25 ° C, som er STC temperaturen. Da belysningen opvarmer prøverne, er prøve temperaturen altid højere end den omgivende kammer. Typisk starter temperaturer klima kammer er-10 ° C til + 5 ° C (+ 5 ° C kammertemperaturen kan for eksempel føre til CIGS prøve temperaturer på 25 ° C). Hvis andre prøve designs eller kompositioner er valgt, kan andre kammer temperaturer pålægges at opnå 25 ° C prøven temperatur.
  4. Varme klima kammer langsomt, indtil den når 85 ° C, for eksempel på 0,1-0,3 ° C/min. læse kammertemperaturen fra klima kammer computer og læse prøven temperatur fra softwaren.
    Bemærk: Typisk prøver temperaturer er derefter mellem 100 og 110 ° C, når salen er 85 ° C. Disse værdier varierer mellem prøver, og er især påvirket af typen substrat, prøve indehaveren design og materiale og solcelle, selv. I denne fase er cellerne i åbent kredsløb betingelser når de ikke er målt, medmindre nævnt forskelligt. Hvis indflydelse af nogen indre spænding skævhed i den varme fase skal udelukkes, kan belysningen også være slukket i denne fase.
    1. For CSI1, lægger en individuel termoelement alle individuelle celler til at måle deres temperatur, mens i CSI2 brug 15 termoelementer 32 prøver. Registrere og logge de enkelte temperaturer.
  5. Måle automatisk de aktuelle spænding kurver af solceller enkeltvis under opvarmningen, hvilket betyder, at de er fast besluttet på hver 0,5 til flere min, afhængig af antallet af prøver. Observere de elektriske parametre i softwaren.
    1. Beregn de elektriske parametre fra de aktuelle spænding kurver. Altid bestemme effektiviteten, åbent kredsløb spænding, kortslutning strømtæthed, udfyldningsfaktor, serie modstand og selvhelende modstand. Bestemme modstand fra skråninger på slutningen af de aktuelle spænding kurver.
    2. Hvis det er nødvendigt, også bestemme Idealitet faktor, mætning strømtæthed og foto strømtæthed ved montering med one-diode model14.
      Bemærk: Bemærk dog, at disse montering procedurer er forholdsvis upålidelige for forringede solceller, der ikke opfører sig som ideel dioder. Effektivitet målt ved disse høje temperaturer vil være lavere end under STC, som er mest synlig i et fald i åbent kredsløb spænding13.
  6. Tænde på fugtighed i salen, klima, en standard indstilling er 85% relativ luftfugtighed (RH). Dette er generelt udgangspunkt i eksperimentet (t = 0 h). Observere RH fra klima kammer computer.
    Bemærk: Den egentlige prøve relative luftfugtighed er lavere end den indstillede værdi. Dette skyldes, at prøven temperaturen er højere end 85 ° C, mens den absolutte luftfugtighed er det samme: da relative luftfugtigheden er en funktion af temperaturen, denne værdi er mindre end 85% RH33.
  7. Forlade prøverne i CSI opsætninger for 100s til 1.000 s af timer, mens måling de aktuelle spænding kurver. Måle kurver hver 5-10 min, men varierer dette on-demand. Observere de elektriske parametre i softwaren.
    1. I den resterende tid, opbevare prøver enten åbne kredsløb betingelser (standardbetingelser) eller placere dem under forskellige elektriske bias med brug af elektriske belastninger, varierende fra -20 V til + 20 V. I tilfælde af en ændring af den elektriske bias er påkrævet under eksperimentet, ændre den indstillede værdi i sporstof software.
      Bemærk: 'Standard' indstillinger er maksimal kraft pege (MPP) betingelser (drift spænding og strøm med et solcelle), kortslutning betingelser og vilkår med en begrænset negativ spænding. Bruge sidstnævnte til at simulere delvis modul skygge.
  8. Hvis du vil vide mere om prøver efter forskellige eksponeringstider, fjerne et begrænset antal prøver i stikprøven holdere fra installation før de andre. Fuldbyrde dette under belysning og i en meget hurtig måde for at minimere indflydelse på de resterende prøver. Dette er naturligvis kun muligt for små prøver.
  9. I slutningen af forsøget, køle kammeret ned til stuetemperatur langsomt i et par timer og fjerne prøver sammen med deres prøve indehavere. Observere temperatur fra klima kammer computer.
    Bemærk: Det er også muligt at bruge andre lys intensitet (f.eks., 800 W/m2 eller ultraviolet lys), mens luftfugtigheden og temperaturen kan naturligvis også være varieret. I så fald bør de opnåede elektriske parametre korrigeres for de forskellige lysintensitet. Det blev observeret, at uventede ændringer i elektriske parametre opstod under CIGS solcellerne var kort (f.eks., 15 min) ikke oplyst (og opvarmet af belysning kilde). Hvis denne virkning ikke er formålet med undersøgelsen, det anbefales at lade på belysningen løbende14.

5. analyse af nedbrudt og refererer til celler

  1. Plot udvikling af de elektriske parametre som en funktion af eksponeringstid i nedbrydning opsætninger.
  2. Gentag ex situ IV målinger af de forringede solceller direkte efter prøverne er fjernet fra opsætninger til at opnå de elektriske parametre på STC. Gentag eksterne kvante effektivitet målinger for nøjagtige strømtæthed og bølgelængde-afhængige absorption.
  3. Registrere igen belyste lock-in termografi kortlægning og fotoluminescens kortlægning, og tage (mikroskopi) billeder til at identificere eventuelle ændringer i visuel og laterale defekter. Bruge de samme indstillinger som før nedbrydning.
  4. Bruge andre analyseteknikker som (tværsnit) Scanning Electron Microscope-Energy Dispersive X-ray spektroskopi (SEM-EDX)31, røntgen diffraktion (XRD)31, sekundære Ion masse spektroskopi (SIMS)31og temperatur afhængig af nuværende spænding (IV(T))31 til yderligere at identificere de manglende mekanismer.
    1. Udføre disse ødelæggende analyser på begge nedbrudt og reference prøver at observere ændringer som følge af eksponering i CSI opsætninger.

6. definition af nedbrydning mekanismer og tilstande

  1. Kombinere alle data for at definere nedbrydning mekanismer og deres indvirkning på lang sigt stabilitet af solceller eller moduler.

Representative Results

CSI opsætninger har været brugt i en lang række eksperimenter. Eksperimenter har både fokuseret på indflydelse på celle eller modul sammensætning og design samt på indflydelse af nedbrydning betingelser. Nogle eksempler på udvikling af elektriske parametre vises i følgende tal. Målinger i figur 3, figur 5, figur 6og figur 7 blev taget i CSI1, mens figur 4 blev opnået i CSI2. I disse tal, det er valgt at skildre enhed effektivitet, åbent kredsløb spænding eller shunt modstand, men andre parametre kan naturligvis også være afbildet.

Figur 3 og figur 4 viser indflydelse af nedbrydning betingelser på stabiliteten af alkali-rige CIGS solcellerne uden en luftfugtighed hindring eller andet materiale, pakke. Figur 3 viser, at disse celler nedbrydes når de udsættes for lys, varme og fugtighed, mens de er næsten uændret i mangel af fugt. Dette indikerer, at disse solceller eller analoge moduler kan være helt stabil når godt pakket mod fugtighed15. Potentielle pakke materialer omfatter naturligvis glas, men også fleksibel barrierer, der ofte er baseret på økologisk-uorganiske multi stakke15. I fremtidige eksperimenter, vil disse muligheder også blive testet. Disse resultater viser også, at denne pakke materiale ikke måtte være nødvendigt i et varmt og tørt klima. Figur 4 viser indflydelse af en bias spænding når de udsættes for fugtig varme plus Belysningskommission: disse foreløbige resultater viser, at en lav negative spænding (-0,5 V, grå kurver) sandsynligvis har en mere negativ effekt på stabilitet end kortslutning, åbent kredsløb, og MPP betingelser18.

Figure 3

Figur 3 : Indflydelse af fugtighed på CIGS solcelle stabilitet. Udvikling af uemballerede CIGS solcellerne effektivitet, som en funktion af eksponeringen tid til belysning plus tørre varme (røde) og fugtig varme (blå) taget ved forhøjede temperaturer. Hver linje repræsenterer én solcelle. Dette tal er blevet ændret fra reference15. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figure 4
Figur 4 : Indflydelse af elektriske belastninger på CIGS solcelle stabilitet. Udviklingen af effektiviteten af uemballerede celler som funktion af tiden på forskellige spændinger plus fugtig varme og belysning. Grå, blå, grønne og røde kurver angiver eksponering til -0,5 V, 0 V, ~ VMPPog åbent kredsløb betingelser, henholdsvis. Disse parametre er opnået ved høje temperaturer, mens stuetemperatur effektivitetsgevinster er omkring 50% højere. Hver linje repræsenterer én solcelle. Dette tal er blevet ændret fra reference18. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

På grund af langsom opvarmning (0,1-0,3 ° C/min.) under den varme fase og real-time målinger, disse opsætninger også automatisk muliggøre fastsættelse af temperatur afhængighed af solceller. Figur 5 viser afhængighed af åbent kredsløb spænding som hidrørende fra de varme kurver før nedbrydning eksperimenter. Denne graf viser, at der er forskelle mellem åbent kredsløb spænding (Voc) temperatur afhængighed af forskellige CIGS solcellerne, mens andre parametre som serien modstand og den nuværende kortslutning (ikke afbildet) display endnu større forskelle mellem celler. Udviklingen af andre parametre kan findes i reference34.

Figure 5
Figur 5 : Temperatur afhængighed af CIGS solcellerne. Temperatur afhængighed af åbent kredsløb spænding (Voc) af to uemballerede CIGS solcellerne. Farverne angiver forskellige solcelle design: de blå firkanter repræsenterer prøver med den celle design og deposition procedure som beskrevet ovenfor. De røde cirkler viser en uemballerede CIGS solar celle på polyimid folie med absorptionsflaskerne deponeret hos ion-beam bistået coevaporation. Hver linje repræsenterer én solcelle. Dette tal er blevet ændret fra reference34. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Figur 6 viser, at små forskelle i sammensætningen af solceller kan have stor indflydelse på enheden stabilitet. Dette eksperiment viste, at alkali-rige prøver der indeholder store mængder af natrium og kalium havde en højere indledende effektivitet, men de også nedbrydes hurtigere. På den anden side blev næsten stabile uemballerede solceller, der indeholdt kun små mængder af alkali-elementer ("alkali-fattige" prøver) også produceret. Disse solceller blev således næsten uløseligt stabil og behøvede ikke nogen beskyttende materiale. Baseret på disse oplysninger kombineret med ex situ analyseresultater, de største nedbrydning mekanismer for disse prøver kunne identificeres: det blev observeret, at hoveddrivkraften bag effektivitet-tab af alkali-rige prøver var en skarp nedgang i selvhelende modstand16. Dybtgående analyse af disse celler egenskaber vises, at migration af alkali-elementer, mere specifikt natrium, syntes at forårsage dette fald. Flere oplysninger er præsenteret i referencerne16,20. Senere faser af denne undersøgelse har til formål at udvikle solceller med stabiliteten af alkali-fattige prøver, og den indledende højeffektiv af alkali-rige prøver.

Figure 6
Figur 6 : Indflydelse af alkali-indhold på CIGS solcelle stabilitet. Udviklingen af effektivitet (venstre) og shunt modstand (til højre) af to typer af uemballerede CIGS solcellerne udsættes for fugtig varme plus belysning. De lyserøde og lilla linjer repræsenterer alkali-fattige prøver, mens de blå linjer repræsenterer alkali-rige prøver. Værdierne, der blev opnået ved høje temperaturer, mens stuetemperatur effektivitetsgevinster 30-80% højere. Hver linje repræsenterer én solcelle. Dette tal er blevet ændret fra reference16. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Et sidste eksempel fokuserer på forskellige CZTS prøver19. Figur 7 viser, at forskellige typer af uemballerede solceller demonstrere en forskellige IV opførsel under fugtig varme plus belysning. Det skal bemærkes, at disse celler ikke er ideel solceller, så stigningen i effektivitet og spænding, der er vist i denne figur er sandsynligvis ikke repræsentant for CZTS solceller i almindelighed og ingen forklaring kunne skaffes for denne adfærd. Flere undersøgelser skal udføres for at give pålidelige udtalelser om stabiliteten af disse celler.

Figure 7
Figur 7 : CZTS solceller udsættes for fugtig varme plus Belysningskommission. Udvikling af normaliserede åbent kredsløb spænding og effektiviteten af fire typer af ikke-optimerede uemballeret CZTS solceller som en funktion af tid, udsættes for fugtig varme plus Belysningskommission taget ved forhøjede temperaturer. Hver farve skildrer en anden type af CZTS solcelle. Hver linje repræsenterer én solcelle. Dette tal er blevet ændret fra reference19. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.

Discussion

To CSI opsætninger til real-time overvågning af de elektriske parametre for solceller og moduler er blevet designet og konstrueret. Disse opsætninger giver mulighed for samtidig eksponering for fugtig varme, belysning og elektrisk bias, mens også i situ bestemme parametrene IV af PV enheder. Disse opsætninger er blevet brugt til at studere indflydelse af miljøbelastninger (fugtighed, belysning, elektrisk bias og temperatur) samt celle eller modul sammensætning på den langsigtede stabilitet af uemballerede solceller. Figur 3, figur 4, figur 5, figur 6og figur 7 vises et udvalg af resultater, der opnås med disse opsætninger.

Stabilitet resultater (figur 3, figur 4, figur 6og figur 7) fra de præsenterede undersøgelser skal altid behandles med omhu: for at gøre oversættelsen fra disse undersøgelser til modul stabilitet, begrænsninger af alle accelereret levetid tests på stabiliteten af PV enheder (herunder denne undersøgelse) skal tages i betragtning. Disse begrænsninger skyldes den omstændighed, at betingelserne i laboratoriet er beregnet til hurtigt at identificere nedbrydning mekanismer, mens nogle nedbrydning mekanismer ikke kan findes på grund af udvælgelsen af forkert (sværhedsgraden af) understreger. Desuden, de valgte betingelser kan også føre til nedbrydning mekanismer og deraf følgende fejl, der ikke forekommer i feltet eller forekomme i feltet før eller efter den forventede tidsramme. Mens for eksempel for fugtig varme betingelser (85 °C/85% RH), en acceleration faktor af 219 antages, reference25 viste, at denne sats er ofte ikke-lineære og kan variere i CIGS moduler mellem 10 og 1.000, og til forringelse af forskellige mekanismer.

For at vurdere gyldigheden af præsenteres resultaterne, de vigtigste forskelle mellem modulet felt bør eksponering og præsenteres forsøgene tages i betragtning:

a. brugt laboratorieforhold er mere alvorlige end feltbetingelser, som er en iboende krav for accelereret prøvning. Derudover er betingelser i disse eksperimenter for det meste konstant, mens moduler i feltet vil blive udsat for konstant skiftende vilkår.

b. i de præsenteres eksperimenter, blev uemballerede solceller brugt. Naturligvis vil barriere materialer og kant fugemasse spille en vigtig rolle i enheden stabilitet (især under fugtige forhold). Derudover indflydelse af samtrafik og indkapsling materialer er også meget vigtigt og bør ikke overses. Sikkert, eksperimenter med emballerede og sammenkoblede mini-moduler er også muligt i disse opsætninger.

c. grund til belysning, blev eksperimenterne præsenteret i figur 3, figur 5, figur 6og figur 7 henrettet under åben kredsløb betingelser når IV-kurver ikke blev registreret. Dog bør moduler fungere på LPF betingelser, mens cellerne kan også blive udsat for vendt bias betingelser i tilfælde af delvis modul afskygning. Figur 4 viser, at kun begrænsede forskelle mellem MPP og åbent kredsløb betingelser blev observeret i denne specifikke eksperiment, men der kan være anderledes for andre celler eller betingelser.

d. CIGS solcellerne sammensætning har stor indflydelse på den langsigtede stabilitet. Eksempler på undersøgelser om påvirkning af sammensætningen stabilitet kan for eksempel findes i referencerne16,20. Da den nøjagtige karakter af mange små ændringer i solcelle stak indflydelse ikke er endnu identificeret, kan nedbrydning forekomme hurtigere eller langsommere end forventet.

De ovennævnte faktorer indikerer, at et stort antal af accelereret levetid undersøgelser med variation i nedbrydning betingelser og prøve sammensætning er forpligtet til at virkelig forudsige modul felt ydeevne. Desuden bør disse resultater derfor kombineres med feltstudier at få et komplet billede om den langsigtede stabilitet af moduler, PV.

Vi foreslår imidlertid, at de opsætninger præsenteret i denne undersøgelse er væsentlige forbedringer i forhold til de standard IEC tests, på grund af den kombinerede stress eksponering samt i situ overvågning. Disse egenskaber væsentligt forbedre den prædiktive værdi af accelereret levetid eksperimenter og øge vores forståelse af nedbrydning mekanismer. De fire vigtigste fordele i forhold til "standard" (f.eks.IEC 61215) test er følgende muligheder:

a. test under eksponering for kombinerede understreger (dvs., temperatur, fugtighed, belysning og elektrisk bias).

b. Tuning af kombinerede understreger for at simulere lokale klima (f.eks., ørken eller polar betingelser).

c. tuning af elektriske bias, fxat simulere virkningerne af delvis skygge.

d. real-time overvågning af enhedens ydeevne, giver mulighed for enklere og hurtigere test samt bedre forudsigelse eller begrænsning af nedbrydning mekanismer på grund af en øget viden niveau.

e. reduceret test tid, da en test kan stoppes direkte efter en fejl er opstået, i stedet for efter den definerede testperiode (fx, 1.000 h).

Det foreslås derfor, at levetid studier med de præsenterede opsætninger kan forbedre kvalitativ og kvantitativ forståelse og forudsigelse af langsigtet stabilitet af solceller og moduler. I fremtiden, en setup tilbyder 'Kombineret stresstests med i situ målinger' (CSI) for fuld skala moduler vil blive udviklet: opsætninger med belyste områder af 40 cm x 40 cm og 100 cm x 100 cm er for lille til fuld størrelse PV moduler, så planer om at forøge de omfanget af denne kombinerede stress måling konceptet er undervejs.

Disclosures

Forfatterne Erik Haverkamp (Kims løsninger), Stefan Roest (evige solen) og Peter Hielkema (Hielkema Testequipment) er ansat af konsortiet kommercialisere disse opsætninger. Arbejdsgiver for opfinderne af disse opsætninger (forfatterne Mirjam Theelen og Henk Steijvers (TNO)) holder en licensaftale med denne konsortium.

Acknowledgments

Forfatterne vil gerne takke Miro Zeman (Delft University of Technology) og Zeger Vroon (TNO) for de frugtbare drøftelser. Kyo Beyeler, Vincent Hans, Ekaterina Liakopoulou, Soheyl Mortazavi, Gabriela de Amorim Soares (alle TNO), Felix Daume (Solarion) og Marie Buffière (IMEC) er anerkendt for prøven deposition og analyse og de lange diskussioner. Desuden vil vi gerne takke alle medarbejdere fra evige solen, Hielkema Testequipment, og Kims løsninger og mere specifikt Robert Jan van Vugt, Alexander Mulder og Jeroen Vink for deres bidrag.

Disse undersøgelser blev gennemført under projektnummer M71.9.10401 inden for rammerne af forskningsprogrammet materialer innovation instituttets M2i, TKI IDEEGO projekt tillid, projekt PV OpMaat, finansieret af grænseoverskridende samarbejde programmet Interreg V Flandern-Holland med økonomisk støtte fra de europæiske fonde for Regionaludvikling og TNO 'Technologie zoekt Ondernemer' program.

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 spørgsmål 140 CIGS CZTS fugtig varme nedbrydning elektriske belastninger belysning i situ analyse overvågning solceller test
<em>In Situ</em> Overvågning af accelereret ydeevne nedbrydning af solceller og moduler: en Case Study 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