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 Övervakning av den accelererade prestandaförsämring av solceller och moduler: en fallstudie för 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

Två 'Kombinerad stresstest med i situ mätning' uppställningar, som möjliggör realtidsövervakning av accelererad nedbrytning av solceller och moduler, var konstruerade och byggda. Dessa inställningar tillåter samtidig användning av luftfuktighet, temperatur, elektriska fördomar och belysning som självständigt kontrollerade stressfaktorer. Här presenteras uppställningar och olika experiment utförda.

Abstract

Utjämnade kostnaden för el (LCOE) av solceller (PV) system bestäms av, bland andra faktorer, PV-modulen tillförlitlighet. Bättre prognos skademekanismer och förebyggande av modul fältet misslyckande kan följaktligen minska investeringsriskerna samt öka El avkastningen. En förbättrad kunskapsnivå kan av dessa skäl avsevärt minska de totala kostnaderna för PV el.

För att bättre förstå och minimera nedbrytning av PV-moduler, bör de förekommande skademekanismer och villkor identifieras. Detta bör helst ske under kombinerade påfrestningar, eftersom moduler i fältet utsätts också samtidigt för flera stressfaktorer. Därför har två 'kombinerade Stress test med i situ mätning' uppställningar varit konstruerade och byggda. Dessa inställningar tillåter samtidig användning av luftfuktighet, temperatur, belysning och elektrisk fördomar som självständigt kontrollerade stressfaktorer på solceller och minimodules. Installationerna också tillåta övervakning i realtid av elektriska egenskaper av dessa prover. Detta protokoll presenterar dessa uppställningar och beskriver experimentella möjligheterna. Dessutom presenteras också resultaten med dessa uppställningar: olika exempel om påverkan av både nedfall och nedbrytning förhållanden på stabiliteten av tunn film Cu (i, Ga) Se2 (CIGS) samt Cu2ZnSnSe4 (CZTS) solceller beskrivs. Resultaten på temperatur beroendet av CIGS-solceller presenteras också.

Introduction

PV-system anses vara en kostnadseffektiv form av förnybar energi. Solcellsmoduler representerar kärnan i dessa solcellssystem och säljs i allmänhet med en fullgörandegaranti för över 25 år (t.ex., max. 20% effektivitet förlust efter denna period)1. Det är viktigt för förtroende hos konsumenter och investerare att dessa garantier är uppfyllda. El avkastningen bör därför vara så stabil och hög som möjligt över minst önskad modul livstid. Detta bör hanteras genom reduktion av både långsam men stadig försämring2 och oväntat tidig modul misslyckanden, som kan uppstå på grund av produktionsstörningar. Exempel på observerade modul misslyckanden i fältet är potentiella inducerad nedbrytning (PID)3 och ljus inducerad nedbrytning (lock)4 för kristallint kisel moduler eller vatten inducerad korrosion i CIGS moduler5,6 , 7 , 8. för att förhindra en minskad fältet livstid av PV-moduler, skademekanismer bör därför identifieras och minimeras.

Förbättrad förståelse skademekanismer som uppstår i PV celler eller moduler skulle också hjälpa till att sänka produktionskostnaderna för PV-modulen: i många fall införs skyddande material mot miljöpåfrestningar i moduler att erbjuda garanterade livslängd. Detta är till exempel sant för flexibel tunn film moduler, såsom CIGS, som innehåller en dyra barriär för att förhindra vatten attack mot Sydossetien. Alla paketet material i sådana moduler kan göra upp till 70% av kostnaderna som modul. Dessa skyddande material är ofta överdimensionerad för att vara säker på att få den krävs livstiden: mer kunskap om mekanismerna som nedbrytning kan därför göra solceller mer intimt stabilt och mer exakt förutsägbart. Bättre förståelse om den långsiktiga stabiliteten modulen och dess beståndsdelar skulle därför sannolikt förhindra alltför dimensionering och tillåta minskade kostnader för dessa skyddande material.

För att ge en allmän uppskattning av modul tillförlitlighet, solceller och moduler numera testas och kvalificerade genom accelererad livstid tester (ALT)9. De mest djupgående kompetens testerna definieras av Internationella elektrotekniska kommissionens (IEC) 61215 tester10, som ger ”go/no go” beslut på stabiliteten i PV-moduler. Dock Osterwald o.a. 11 avslöjade att ett positivt resultat av IEC tester alltid inte indikerar att modulen PV kan stå utomhus författningarna för 25 eller fler år. Detta begränsade korrelation mellan fält- och laboratorieaktiviteter testning visades vara särskilt sant för de relativt nya tunn film moduler12.

Dessa tester ge inte inblick i skademekanismer ('vilka processer eller som betonar leda till observerade långsam modul nedbrytning eller snabb modul fel?'). Dessutom kan dessa tester, som för närvarande bygger på enkel eller dubbel stressfaktorer (till exempel mekanisk stress, eller kombinerade temperatur och luftfuktighet) säkerligen inte simulera fältet beteende på ett tillförlitligt sätt, eftersom solcellsmoduler i fältet är föremål för många kombinerade betonar (till exempel: temperatur, luftfuktighet, vind, snö, belysning, damm, sand, vatten). Dessa påfrestningar kan också variera per klimatet zonplanerar: medan du är i öknen, temperatur och belysning är sannolikt viktiga stressfaktorer, i tempererat klimat, kan påverkan av till exempel fukt också vara mycket viktigt. För att simulera nedbrytningen och åtföljande brister i olika klimat, krävs således olika kombinationer av flera spänningar. Följaktligen, samtidig exponering för flera påfrestningar är mycket viktigt att få en bra uppskattning av modul tillförlitligheten i vissa klimat och kombinerade stresstester bör således ingå i laboratorietester.

Det föreslås således att kvalitativ och kvantitativ förståelse av de skademekanismer som uppstår under kombinerad stress bör förbättras. Information om solcell eller modul bör helst också samlas in under dessa tester, att tillåta identifiering av enheten förändringar under exponering. Därför har vi konstruerat och tillverkat två uppställningar som tillåter samtidig exponering för fukt, (förhöjda) temperaturer, elektriska fördomar och belysning. I dessa uppställningar, kan svårighetsgraden av dessa påfrestningar också ställas in, beroende på målet av ett experiment. Dessutom tillåter belysning i situ övervakning av PV enheter (figur 1)13,14,15,16,17,18, 19 , 20. dessa typer av tester kommer att namnges ”kombinerat stresstester med i situ mätningar' (CSI). I detta protokoll, kommer två hybrid nedbrytning uppställningar, heter 'CSI 1' och 'CSI 2', att presenteras. Många studier, som syftar till förbättring av förståelse för prestanda och nedbrytning av särskilt tunn film CIGS-solceller, avrättades med dessa uppställningar. Ett urval av stabilitet och temperatur beroende resultaten på oförpackade CIGS och CZTS solceller presenteras. Mer information kan också hittas i21,22.

Figure 1
Figur 1 : 'Kombinerade Stress tester med i situ mätningar' setup. Vänster: Schematisk översikt av en CSI setup inklusive mätsystemet. Mitten och höger: fotografi av det CSI-konfigurationer (klimat kammare plus solsimulatorer, mätsystem som inte avbildas, uppställningar har olika storlekar). Mitten är CSI1 är rätt CSI2. Denna siffra har ändrats från19,30. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Protocol

Obs: Avsnitten 1 och 3 är specifika för nedbrytning testning av CIGS och CZTS solceller via proceduren, men alla andra typer av sol-celler (t.ex., perovskiter, organiska PV och kristallint kisel) är eller kommer att testas med dessa uppställningar. Det bör noteras att för varje enhetstyp och geometri, en provhållare bör utformas. Dessa innehavare bör ha icke-korroderande kontakter att förhindra kontakt nedbrytning, eftersom detta skulle skymma effekterna av enheten nedbrytning. Dessutom är det klokt att kontakta prover i en konfiguration med fyra punkter sonden att förhindra mätning av resultaten av korroderade kontakter eller kablar i mätsystemet.

1. beredning av CIGS-solceller

  1. Använd handskar i alla steg av protokollet vid hantering av solceller: skydda mot de giftiga ämnen, men också hindra nedfall av oönskade material, som köket salt (NaCl), på prover.
  2. Skär en 1 x 100 mm x 100 mm natronkalk (SLG) glas prov i fyra 100 mm x 25 mm rektangulär remsor med en glas fräs eller diamond penna för att förbereda lämpliga substrat.
  3. Placera SLG provet i en fräsande bestrykare. Insättning på 0,5 µm tjock molybden tillbaka kontakt genom Direct Current (DC) sputtering vid rumstemperatur på glas substrat23.
    1. Välj från olika stack sekvenser, inklusive ett enda lager, en lipidens och en multiplayer stack. Till exempel deponera en lipidens med en hög initial sputtring tryck (t.ex., 0,03 mbar) följt av ett lägre sputtring tryck (t.ex., 0,003 mbar) på driva tätheter av 1-5 W/cm2.
  4. Bered en etch 1 M NaOH och 0.3 M K det3Fe(CN)624. Elektrokemiskt etch en 6 mm rand av den molybden bort att sätta in en mönstrad tillbaka kontakt.
    Obs: På detta sätt solcellen har ett väldefinierat område, utan solcell områden som omfattas av de guldfärgade kontakterna, som kanske fortfarande delvis bidrar till de elektriska parametrarna.
  5. Placera provet i en vakuumkammare och deponera ett 2 µm tjockt CIGS absorbatorn lager av en coevaporation process under en koppar, indium, gallium och selen atmosfär25.
    1. Till exempel använda typiska substrat temperaturer 550 till 600 ° C och följ tre-stegs nedfall processen, första bildar (i, Ga)2Se3 genom avdunstning av indium, gallium och selen, följt av bildandet av en koppar rika CIGS på grund tillägg av stora mängder koppar. Stäng av koppar förångaren att bilda krävs koppar-fattiga CIGS absorbatorn i den tredje etappen.
    2. Alternativt använda en tvåstegs nedfall vid atmosfäriskt tryck för en låg kostnad. Utföra CuInGa nedfall, antingen genom vakuum sputtring eller genom atmosfäriskt tryck elektrokemiska nedfall. Följ detta av selenization enligt ett elementärt selen atmosfär26 i rörliga bälte selenization ugn.
  6. Placera provet i en kemisk bad och sätta in CD-skivor bufferten genom en ”kemiska bad nedfall” (CBD) processen med en tjocklek av 50 nm27. Vanligtvis använder en vattenbaserad lösning av NH4OH, CdSO4och tiourea (NH2CSNH2) vid en temperatur av ~ 70° C.
  7. Placera provet i en sputtring verktyg och deponera den i-ZnO / ZnO:Al främre kontakt av radiofrekvens (RF) sputtring från i-ZnO och ZnO:Al mål med tjocklekar respektive 50 nm och 800-1000 nm28.
    1. För i-ZnO rikta använder ett lager av en ren ZnO-mål och en ZnO keramisk med 2% Al2O3 för det ZnO:Al lagret. Använda nedfall temperaturer mellan rumstemperatur och 200 ° C. Undvika användning av ett ledande metallgaller i övre elektroden, eftersom detta inte används i kommersiella moduler. Därför använda detta relativt tjocka ZnO:Al lager för att tillåta tillräckligt ledningsförmåga i dessa celler som efterliknar en modul design.
  8. Försiktigt skrapa bort en rand av 14 mm (på motsatt sida av etsningen i steg 1.4) av solcell med en kniv.
    1. Genom att utnyttja skillnaden i hårdhet av lager, ta bort endast de översta lagrarna (ZnO:Al / i-ZnO/CdS/CIGS) och lämna molybden tillbaka kontakt intakt. Form solceller med en bredd av 5 mm, liknar bredd på en cell i en modul.
  9. Placera provet i en guld sputtring verktyg och täck den med en rand i mitten som en mask, så att inget guld deponeras på solcellen. Deponera guldkontakterna på ~ 60 nm tjocklek genom sputtering vid rumstemperatur på både tillbaka kontakten (molybden) och den främsta kontakten (ZnO:Al) för att möjliggöra kontaktering av cellerna.
    Obs: Användning av en kontakt med en noble metall kan långvarig exponering av proverna hårda villkor utan försämring av kontakter, så att cellen nedbrytningen kan studeras.
  10. Skär remsor med en glas fräs eller en diamant penna i 7 mm brett prover, som nu har en cellytan av ~ 7 x 5 mm och en total storlek på 7 x 25 mm (figur 2).
    Obs: En schematisk representation av tvärsnitt samt en mikroskopi bild av en cell visas i figur 2. För experiment med CZTS solceller, har en annan nedfall förfarande av lagrets aktiva absorbator (CZTS) följts (liknande referens29), medan alla andra lager sattes in efter en analog procedure.

Figure 2
Figur 2 : CIGS prova design. (överst) Schematisk bild av ett tvärsnitt av en CIGS prov och (nederst) en Mikroskop bild av en CIGS-prov som tas från toppen. Denna siffra har delvis ändrats från referenser14,30. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

2. analys av de Sol-cellerna innan nedbrytning

  1. Mäta ex situ- nuvarande spänning (IV) resultatet av de Sol-cellerna under standart testa villkorar (STC, belysning: 1000 W/m² och AM 1,5, temperatur: 25 ° C) i en konfiguration med fyra punkt sonden att avgöra de elektriska parametrarna med en IV testare.
    1. Mät den externa quantum effektiviteten (EQE) för den exakta strömtäthet och våglängd beroende absorption30,31 med spektrala (SR) och beräkna exakta strömtäthet.
  2. Spela in den belysta inlåsning Termografi (ILIT) mappning31 och fotoluminescens (PL) mappning31 med en stor förstoring och ta (mikroskopi) bilder att identifiera defekter visuella och laterala.
    1. Placera provet under en ILIT enhet med värmedetektor med 15 µm lins för hög förstoring och en IR belysning källa. Belysa provet och registrera rumsliga skillnaden i temperatur att identifiera uppvärmda platser.
    2. Placera provet under en mappning PL setup rumsliga fotoluminescens bilden. Använda en högeffekts LED ljuskälla för belysning och en CCD-kamera för data upptäckt.
      Obs: Exempel finns i referenser15,16,20,30.
  3. Välj ett antal solceller för nedbrytning experimentet, medan placera resten av proverna i en argon handskfack som referens. Välj en blandad uppsättning solceller som referens och som experimentprover, så någon skillnad inom full bilder (t.ex. lutningar i sammansättning) är samma svårighetsgrad på experiment och referens proverna.
    Obs: Det kan till exempel betyda att celler med positioner 1, 3, 4, 5, 7 och 8 i bilderna är experimentell celler, medan position 2 och 6 är referens celler.

3. placering av Solcellerna i provet innehavare

  1. Placera de Sol-cellerna i provet innehavare som inte kasta någon skugga på cellerna och göra kontakta mellan guld främre och bakre kontakter och mätning pins.
    Obs: Prov innehavare är specifikt utformade att klara de hårda förhållandena under klimat provningarna. De är dessutom konstruerade av material som endast har begränsad utgasning.
  2. Placera provet innehavare på prov racket inuti inställningen för CSI, som tillåter elektrisk kontakt mellan solcellerna och mätning verktyg utanför installationen. Placera provet racket dedikerad ståndpunkt, där det kommer att vara upplyst av en AM 1,5 ljus källa.
    Obs: Ljuskälla specifikationer är följande. CSI1: 40 x 40 cm område, 1000 W/m2, BAA kalibrerad belysning; CSI2: 100 x 100 cm2 -område, 1 000 W/m2, AAA kalibrerad belysning, kalibreringar enligt IEC60904-9:200732.

4. genomförande av nedbrytning experimentet

  1. Slå på solsimulator, mätutrustningen, klimatkammare och datorn.
  2. Program i mätning datorn som styr den solsimulator, elektriska fördomar och klimat kammare inställningar. Definiera spänningsområde, spänningen steg, mätning sekvens och tiden mellan mätningarna i IV mätning programvara och definiera temperatur, luftfuktighet, bias spänning och belysning profiler i programvaran.
    Obs: Låt denna programvara styra mätningarna under hela experimentet.
    1. För typiska inställningar för IV mätningar, använda spänning i intervallet -0,2 V till 1,0 V i 120 steg (0,01 V/steg). Observera att i de flesta fall systemet växlar mellan IV mätningar av alla prover och paus på ca 5 min.
  3. Stabilisera klimatkammare och Solcellerna i installationen temperatur. Iaktta provtemperaturen i programvaran.
    Obs: En typisk temperatur för solcellerna är 25 ° C, vilket är STC temperaturen. Eftersom belysningen värms upp proverna, är provtemperaturen alltid högre än omgivande kammaren. Typisk start temperaturer på klimatkammare är-10 ° C till + 5 ° C (+ 5 ° C kammartemperatur kan till exempel leda till CIGS provets temperatur av 25 ° C). Om andra prov mönster eller kompositioner är markerade, kan andra kammaren temperaturer åläggas att erhålla 25 ° C provtemperaturen.
  4. Värm klimatkammare långsamt tills den når 85 ° C, till exempel på 0,1-0,3 ° C/min. Läs kammartemperatur från klimat kammare datorn och läsa provtemperaturen från programvaran.
    Obs: Typiska prover temperaturen är då mellan 100 ° C och 110 ° C när kammaren är 85 ° C. Dessa värden varierar mellan prover och påverkas särskilt av substrat typ, urvalsmetod som innehavaren och material och solcellen själv. Under detta stadium är cellerna i öppen krets villkor när de inte mäts, anges på olika sätt. Om påverkan av någon inre spänning bias under värme scenen måste uteslutas, kan belysning också vara avstängd under detta skede.
    1. För CSI1, bifoga en enskilda termoelement till alla enskilda celler att mäta sin temperatur, medan i CSI2 användning 15 termoelement för 32 prover. Registrera och logga de enskilda temperaturerna.
  5. Automatiskt mäta den nuvarande spänning kurvor av solcellerna ett under uppvärmningen, vilket innebär att de är bestäms varje 0,5 till flera min, beroende på antalet prover. Iaktta de elektriska parametrarna i programvaran.
    1. Beräkna de elektriska parametrarna från aktuell spänning kurvorna. Alltid bestämma den effektivitet, öppen kretsspänning, kortslutning strömtäthet, fyllningsfaktor, serie motstånd och shunt motståndet. Bestämma motstånd från sluttningarna på slutet av aktuell spänning kurvorna.
    2. Om så krävs, även fastställa idealitet faktor, mättnad strömtäthet och foto strömtäthet av passande med en-diod modell14.
      Obs: Observera dock att dessa anpassningsprocedurer är relativt opålitliga för försämrade solceller som inte beter sig som ideala dioder. Effektiviteten mätt med dessa förhöjda temperaturer blir lägre än enligt STC, vilket syns mestadels en minskning i öppen krets spänning13.
  6. Slå på luftfuktigheten i klimatkammare, en standardinställning är en relativ fuktighet (RH) på 85%. Detta är i allmänhet startpunkten av experimentet (t = 0 h). Observera RH från klimat kammare datorn.
    Obs: Den faktiska urval relativa luftfuktigheten är lägre än inställt värde. Detta orsakas av det faktum att provtemperaturen är högre än 85 ° C, medan den absoluta fuktigheten är densamma: eftersom den relativa fuktigheten är en funktion av temperaturen, detta värde är lägre än 85% RH33.
  7. Lämna proverna i CSI uppställningar för 100s till 1,000s på timmar, medan mäta den nuvarande spänning kurvor. Mäta kurvorna varje 5-10 min, men variera detta på begäran. Iaktta de elektriska parametrarna i programvaran.
    1. I den resterande tiden, hålla proverna antingen öppen krets villkor (standardvillkor) eller placera dem under olika elektriska fördomar med användning av elektriska laster, varierande från -20 V till 20 V. Om en ändring av den elektriska bias krävs under experimentet, ändra inställt värde i tracer programvara.
      Obs: 'Standard' inställningar är maximal power point (MPP) villkor (drift spänning och ström av en solcell), kortslutning villkor och förhållanden med en begränsad negativ spänning. Använda den senare för att simulera partiell modul skuggning.
  8. Läs mer om prover efter olika exponeringstider, ta bort ett begränsat antal prover i provet innehavare från inställningarna innan de andra. Köra den under belysning och på ett mycket snabbt sätt för att minimera påverkan på de återstående proverna. Detta är naturligtvis bara möjligt för små prover.
  9. Vid slutet av experimentet, cool kammaren ner till rumstemperatur långsamt i några timmar och ta bort proverna tillsammans med sina prov innehavare. Iaktta temperaturen från klimat kammare datorn.
    Obs: Det är också möjligt att använda andra ljus intensitet (t.ex., 800 W/m2 eller ultraviolett ljus), medan luftfuktigheten och temperaturen kan naturligtvis också varieras. I så fall bör de erhållna elektriska parametrarna korrigeras för olika ljusintensiteten. Det observerades att oväntade förändringar i elektriska parametrar inträffade när CIGS-solceller var kort (t.ex., 15 min) inte upplyst (och värms upp av belysning källa). Om denna effekt inte är syftet med studien, det rekommenderas att lämna på belysningen kontinuerligt14.

5. analys av degraderas och referera till celler

  1. Rita utvecklingen av de elektriska parametrarna som funktion av exponeringstid i nedbrytning uppställningar.
  2. Upprepa ex situ- IV mätningar av försämrade solcellerna direkt efter proverna tas bort från installationerna att erhålla de elektriska parametrarna på STC. Upprepa de externa quantum effektivitet mätningarna för exakta strömtäthet och våglängd-beroende absorption.
  3. Spela in igen den belysta inlåsning Termografi kartläggningen och fotoluminescens kartläggning och ta (mikroskopi) bilder att identifiera ändringar i visuella och laterala defekter. Använd samma inställningar som före nedbrytning.
  4. Använda andra analystekniker som (tvärsnitt) svepelektronmikroskop-Energy Dispersive X-ray spektroskopi (SEM-EDX)31, röntgendiffraktion (XRD)31, sekundära Ion Mass spektroskopi (SIMS)31och temperatur beroende av aktuell spänning (IV(T))31 att ytterligare identifiera brottmekanismer.
    1. Utföra dessa destruktiva analyser på båda degraderade och referera prover att iaktta förändringarna på grund av exponering i CSI uppställningar.

6. definition av skademekanismer och lägen

  1. Kombinera alla data för att definiera skademekanismer och deras effekter på lång sikt stabiliteten i solceller eller moduler.

Representative Results

Det CSI-konfigurationer har använts för en rad olika experiment. Experiment har både fokuserat på påverkan på cellen eller modul sammansättning och design, samt på påverkan av nedbrytning villkoren. Några exempel på utvecklingen av elektriska parametrarna visas i följande figurer. Mätningar i figur 3, figur 5, figur 6och figur 7 togs i CSI1, medan figur 4 erhölls i CSI2. I dessa siffror, det är valt att skildra antingen enhet effektivitet, öppen kretsspänning eller shunt motståndet, men andra parametrar kan naturligtvis också ritas.

Figur 3 och figur 4 visar påverkan av nedbrytning villkoren på stabiliteten av alkali-rika CIGS-solceller utan en luftfuktighet barriär eller annat material som paketet. Figur 3 visar att dessa celler försämras när de utsätts för belysning, värme och fukt, samtidigt som de nästan stabil i avsaknad av fukt. Detta indikerar att dessa solceller eller analoga moduler kan vara helt stabil när väl förpackad mot fuktighet15. Potentiella paketet material innehålla naturligt glas, men också flexibel hinder, som ofta är baserade på organiska-oorganiska flera stackar15. I framtida experiment, kommer dessa möjligheter också att testas. Dessa resultat indikerar också att detta paketet material inte kanske är nödvändigt i ett varmt och torrt klimat. Figur 4 visar påverkan av en bias spänning när den utsätts för fuktig värme plus belysning: dessa preliminära resultat tyder på att en låg negativ spänning (-0,5 V, grå kurvor) sannolikt har en mer negativ effekt på stabiliteten än kortslutning, öppen krets, och MPP villkor18.

Figure 3

Figur 3 : Fuktens inverkan på CIGS solceller stabilitet. Utvecklingen av oförpackade CIGS-solceller effektivitet som en funktion av exponeringen tid att belysning plus torr värme (röd) och fuktig värme (blå) tas vid förhöjda temperaturer. Varje rad representerar en solcell. Denna siffra har ändrats från referens15. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figure 4
Figur 4 : Påverkan av elektriska laster på CIGS solceller stabilitet. Evolution av effektiviteten av oförpackade celler som en funktion av tiden vid olika spänningar plus fuktig värme och belysning. Grå, blå, gröna och röda kurvor visar exponering för -0,5 V, 0 V, ~ VMPPoch öppen krets villkor, respektive. Dessa parametrar erhålls vid förhöjda temperaturer, medan rumstemperatur effektivitetsvinsterna är omkring 50% högre. Varje rad representerar en solcell. Denna siffra har ändrats från referens18. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

På grund av långsam uppvärmning (0,1-0,3 ° C/min) under uppvärmningsfasen och realtid mätningarna, Tillåt dessa inställningar också automatiskt bestämning av temperatur beroende av solceller. Figur 5 visar beroendet av öppen krets spänning som erhålls från värme kurvorna innan nedbrytning experiment. Denna graf visar att det finns skillnader mellan öppen krets spänning (Voc) temperatur beroende av olika CIGS-solceller, medan andra parametrar som serien motståndet och kortslutningsström (inte avbildas) displayen ännu större skillnader mellan celler. Utvecklingen av andra parametrar kan hittas i referens34.

Figure 5
Figur 5 : Temperatur beroende av CIGS-solceller. Temperatur beroende av öppen kretsspänning (Voc) av två oförpackade CIGS-solceller. Färgerna anger olika solcell mönster: de blå fyrkanter representerar prover med cell design och nedfall förfarandet som beskrivs ovan. De röda cirklarna visar en icke-förpackade CIGS-solceller på polyimid folie med absorbenter deponeras med ion-beam assisterad coevaporation. Varje rad representerar en solcell. Denna siffra har ändrats från referens34. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Figur 6 visar att små skillnader i sammansättningen av solceller kan ha en stor påverkan på enheten stabilitet. Detta experiment visade att alkali-rika prover som innehåller stora mängder natrium och kalium hade en högre initiala effektivitet, men de också försämras snabbare. Däremot, producerades också nästan stabil oförpackade solceller som endast innehöll små mängder alkali-element (”alkali-poor” prover). Dessa solceller var således nästan intimt stabil och behövde inte någon skyddande material. Baserat på denna information kombineras med ex situ analysresultat, de huvudsakliga skademekanismer för dessa prover kunde identifieras: det observerades att den huvudsakliga drivkraften bakom effektivitet-förlusten av alkali-rika proverna var en kraftig minskning i shunt motståndet16. Fördjupad analys av egenskaperna hos dessa celler visas att migreringen av alkali-element, särskilt natrium, tycktes orsaka denna minskning. Mer information presenteras i referenser16,20. Senare stadier av denna studie syftar till att utveckla solceller med stabiliteten av alkali-fattiga proverna och den höga initiala verkningsgraden av alkali-rika proverna.

Figure 6
Figur 6 : Inverkan av alkali-innehållet på CIGS solceller stabilitet. Utvecklingen av effektivitet (vänster) och shunt motståndet (höger) av två typer av oförpackade CIGS-solceller utsätts för fuktig värme plus belysning. De rosa och lila linjerna representerar de alkali-fattiga proverna, medan de blå linjerna representerar alkali-rika proverna. Värden som erhölls vid förhöjda temperaturer, medan rumstemperatur effektivitetsvinsterna är 30-80% högre. Varje rad representerar en solcell. Denna siffra har ändrats från referens16. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Ett sista exempel fokuserar på olika CZTS prover19. Figur 7 visar att olika typer av oförpackade solceller visar en olika IV beteende under fuktig värme plus belysning. Det bör noteras att dessa celler inte är idealiska solceller, så ökningen i effektivitet och spänning som visas i denna figur är sannolikt inte företrädare för CZTS solceller i allmänhet och ingen förklaring skulle kunna ges för detta beteende. Fler studier behöver utföras för att ge pålitliga meddelanden om stabiliteten av dessa celler.

Figure 7
Figur 7 : CZTS solceller utsätts för fuktig värme plus belysning. Utvecklingen av normaliserade öppen kretsspänning och effektivitet av fyra typer av icke-optimerade oförpackade CZTS-solceller som funktion av tiden, utsätts för fuktig värme plus belysning tas vid förhöjda temperaturer. Varje färg skildrar en annan typ av CZTS solcell. Varje rad representerar en solcell. Denna siffra har ändrats från referens19. Klicka här för att se en större version av denna siffra.

Discussion

Två CSI uppställningar för realtidsövervakning av elektriska parametrarna för solceller och moduler har varit konstruerade och byggda. Dessa uppställningar tillåta samtidig exponering för fuktig värme, belysning och elektrisk fördomar, medan också i situ fastställer IV parametrarna för PV-enheter. Dessa inställningar har använts för att studera påverkan av yttre påfrestningar (fukt, belysning, elektriska fördomar och temperatur) samt cell eller modul sammansättningen på den långsiktiga stabiliteten av oförpackade solceller. Figur 3, bild 4, bild 5, figur 6och figur 7 visar ett urval av resultat som erhållits med dessa inställningar.

Stabilitet resultaten (figur 3, figur 4, figur 6och figur 7) från presenterade studier bör alltid behandlas med omsorg: för att göra översättningen från dessa studier till modul stabilitet, begränsningarna av alla accelererad livstid Stabilitetsprovning av PV enheter (inklusive denna studie) bör beaktas. Dessa begränsningar orsakade av det faktum att förhållandena i laboratoriet är tänkt att snabbt identifiera skademekanismer, medan vissa skademekanismer inte kan hittas på grund av valet av fel (allvarlighetsgrad) betonar. Dessutom kan de valda villkor också leda till skademekanismer och åtföljande misslyckanden som inte förekommer i fältet eller uppstå i fältet före eller efter den förväntade tidsramen. Medan exempelvis för fuktig värme villkor (85 °C/85% hö), en acceleration faktor av 219 antas, referens25 visade att denna sats är ofta icke-linjära och kan variera i CIGS moduler mellan 10 och 1000 och för olika skademekanismer.

För att uppskatta giltigheten av de presenterade resultaten, de viktigaste skillnaderna mellan modulen fältet bör exponering och presenterade experimenten beaktas:

a. används laboratorieförhållanden är allvarligare än fältförhållanden, vilket är ett inneboende krav för accelererad provning. Dessutom är villkoren i dessa experiment mestadels konstant, medan moduler i fältet kommer att utsättas för kontinuerligt förändrade förutsättningar.

b. i de presenterade experiment användes icke-förpackade solceller. Naturligt, barriärmaterial och kanten fogmassa kommer att spela en viktig roll i enheten stabilitet (särskilt under fuktiga förhållanden). Dessutom påverkan av samtrafik och inkapsling material är också mycket viktigt och bör inte försummas. Visst, experiment med paketerade och sammankopplade mini-moduler är också möjligt i dessa inställningar.

c. på grund för belysning avrättades de experiment som presenteras i figur 3, figur 5, figur 6och figur 7 öppen krets villkor när IV kurvorna inte registrerats. Moduler bör dock fungera MPP villkor, medan cellerna kan också utsättas för omvänd bias villkor i fråga om partiell modul skuggning. Figur 4 visar att endast begränsade skillnaderna mellan MPP och öppen krets villkor observerades i det specifika experimentet, men som kan vara annorlunda för andra celler eller villkor.

d. sammansättningen av CIGS-solceller har en stor påverkan på den långsiktiga stabiliteten. Exempel på studier om inverkan av sammansättningen på stabiliteten kan exempelvis hittas i referenser16,20. Eftersom karaktären på påverkan av många små ändringar i solcell stack inte ännu identifierade, nedbrytning kan uppstå snabbare eller långsammare än väntat.

Ovanstående faktorer indikerar att det krävs ett stort antal accelererad livstid studier med variation i nedbrytning villkor och provets sammansättning att verkligen förutsäga modul fältet prestanda. Dessutom bör dessa resultat därför kombineras med fältstudier att få en fullständig bild om solcellsmoduler långsiktiga stabilitet.

Vi föreslår dock att de installationerna som presenteras i denna studie finns betydande förbättringar jämfört med standard IEC provningarna på grund av den kombinerade stress exponering samt i situ övervakning. Dessa egenskaper avsevärt förbättra det prediktiva värdet av accelererad livstid experiment och öka vår förståelse av skademekanismer. De fyra främsta fördelarna jämfört med 'standard' (t.ex., IEC 61215) tester är följande funktioner:

a. provning under exponering för kombinerade påfrestningar (dvs, temperatur, fukt, belysning och elektrisk fördomar).

b. Tuning i kombinerade betonar för att simulera lokala klimat (t.ex., öknen eller polar villkor).

c. tuning av elektriska fel, t.ex., att simulera effekterna av partiell skuggning.

d. realtidsövervakning av enhetens prestanda, så att enklare och snabbare testning samt bättre prognos eller begränsning av skademekanismer som på grund av en ökad kunskapsnivå.

e. minskat testning tid, eftersom ett test kan stoppas direkt efter ett fel har uppstått, i stället för efter testperioden definierad (t.ex., 1000 h).

Det föreslås därför att livstid studier med de presenterade uppställningar kan förbättra den kvalitativa och kvantitativa förståelse och förutsägelse av långsiktig stabilitet av solceller och moduler. I framtiden, en setup som erbjuder 'Kombinerade stresstester med i situ mätningar' (CSI) för full skala moduler kommer att utvecklas: uppställningar med belysta områden med 40 cm x 40 cm och 100 x 100 cm är för små för normalstora PV-moduler, så planerar att öka den omfattningen av detta kombinerade stress mätning koncept pågår.

Disclosures

Författarna Erik Haverkamp (ReRa Solutions), Stefan Roest (eviga solen) och Peter Hielkema (Hielkema Testequipment) är anställda av konsortiet kommersialisera dessa uppställningar. Arbetsgivaren av uppfinnarna av dessa uppställningar (författare Mirjam Theelen och Henk Steijvers (TNO)) innehar ett licensavtal med detta konsortium.

Acknowledgments

Författarna vill tacka Miro Zeman (Delft University of Technology) och Zeger Vroon (TNO) för de fruktbara diskussionerna. Kyo Beyeler, Vincent Hans, Ekaterina Liakopoulou, Soheyl Mortazavi, Gabriela de Amorim Soares (alla TNO), Felix Daume (Solarion) och Marie Buffière (IMEC) erkänns för provet nedfall och analys och de långa diskussionerna. Dessutom vill vi tacka alla medarbetare från eviga solen och ReRa lösningar, Hielkema Testequipment, och mer specifikt Robert Jan van Vugt, Alexander Mulder och Jeroen Vink för deras bidrag.

Dessa studier har genomförts under projektnummer M71.9.10401 inom ramen för forskningsprogrammet för material innovation institute M2i, TKI IDEEGO projekt förtroende, projektet PV OpMaat, finansieras av gränsöverskridande samarbete programmet Interreg V Flanders-Nederländerna med ekonomiskt stöd av EU-medlen för regionutveckling och 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

Bioteknik fråga 140 CIGS CZTS fuktig värme nedbrytning elektriska laster belysning i situ analys övervakning solceller testning
<em>In Situ</em> Övervakning av den accelererade prestandaförsämring av solceller och moduler: en fallstudie för 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