In Situ Toezicht op de afbraak van de versnelde prestaties van zonnecellen en Modules: een Case-Study voor Cu (In, Ga) Se2 zonnecellen

Summary

Twee ‘ gecombineerde Stress met in situ meting ‘ testopstellingen, waardoor real-time bewaking van versnelde afbraak van zonnecellen en modules, zijn ontworpen en gebouwd. Deze opstellingen toestaan het gelijktijdige gebruik van vochtigheid, temperatuur, elektrische vooroordelen en verlichting zo onafhankelijk gecontroleerde stressfactoren. De opstellingen en verschillende experimenten uitgevoerd worden gepresenteerd.

Abstract

De levelized kosten van elektriciteit (LCOE) van fotovoltaïsche (PV) systemen wordt bepaald door, onder andere factoren, de betrouwbaarheid van de PV-module. Betere voorspelling van degradatie en preventie van module veld mislukking kunnen bijgevolg beleggingsrisico’s te verminderen, alsook verhogen het rendement van elektriciteit. Een betere kennisniveau kan om deze redenen aanzienlijk verminderen de totale kosten van PV elektriciteit.

Om beter te begrijpen en minimaliseren van de afbraak van de PV-modules, moeten de voorkomende degradatie en de voorwaarden worden geïdentificeerd. Dit moet bij voorkeur gebeuren onder gecombineerde benadrukt, aangezien modules in het veld ook gelijktijdig aan meerdere stressfactoren worden blootgesteld. Daarom zijn twee ‘ Stress gecombineerd met in situ meting ‘ testopstellingen ontworpen en gebouwd. Deze opstellingen toestaan het gelijktijdige gebruik van vochtigheid, temperatuur, verlichting en elektrische vooroordelen als onafhankelijk gecontroleerde stressfactoren op zonnecellen en minimodules. De opstellingen kunnen ook real-time bewaking van de elektrische eigenschappen van deze monsters. Dit protocol biedt deze opstellingen en beschrijft de experimentele mogelijkheden. Bovendien, de resultaten van deze opstellingen worden ook gepresenteerd: verschillende voorbeelden over de invloed van zowel de afzetting en de afbraak voorwaarden op de stabiliteit van dunne film Cu (In, Ga) Se₂ (CIGS) evenals Cu₂ZnSnSe₄ (CZTS) zonnecellen worden beschreven. Resultaten op de temperatuur-afhankelijkheid van CIGS-zonnecellen worden ook gepresenteerd.

Introduction

PV-systemen worden beschouwd als een kosteneffectieve vorm van hernieuwbare energie. PV modules vormen de kern van deze PV-systemen en zijn over het algemeen verkocht met een uitvoeringsgarantie van meer dan 25 jaar (bv, max. 20% rendement verlies na deze periode)¹. Het is van cruciaal belang voor het vertrouwen van consumenten en beleggers dat deze garanties is voldaan. De opbrengst van de elektriciteit daarom moet als stabiel en hoge mogelijk ten minste de gewenste module levensduur. Dit moet worden beheerd door vermindering van zowel de langzame, maar gestage afbraak² en de onverwachte voorbarig module mislukkingen, die, bijvoorbeeld, kan zich voordoen als gevolg van productiefouten. Voorbeelden van waargenomen module mislukkingen in het veld zijn potentiële veroorzaakte afbraak (PID)³ en licht geïnduceerde afbraak (deksel)⁴ voor kristallijn silicium modules of water geïnduceerde corrosie bij CIGS modules^{5,6 , 7 , 8}. om te voorkomen dat een verminderde veld levensduur van PV-modules, degradatie moeten daarom worden geïdentificeerd en geminimaliseerd.

Beter begrip van degradatie voorkomen in PV-cellen of modules zou ook bijdragen tot lagere productiekosten voor PV-module: in veel gevallen, beschermende materialen tegen milieu benadrukt in modules te bieden van de gegarandeerde levensduur worden ingevoerd. Dit is voor voorbeeld waar voor flexibele dunne-film modules, zoals CIGS, die een dure barrière bevatten om te voorkomen dat water ingression. Alle pakket materialen in dergelijke modules kunnen tot 70% van de kosten van de module. Deze beschermende materialen zijn vaak overdreven gedimensioneerde om er zeker te verkrijgen van de vereiste levensduur: meer kennis over de degradatie kan daarom zonnecellen meer intrinsiek stabiele en nauwkeuriger voorspelbaar. Beter begrip over de stabiliteit van de module en de bestanddelen daarvan op de lange termijn zou daarom waarschijnlijk verhinderen overdreven dimensionering en lagere kosten voor deze beschermende materialen.

Het geven van een algemene schatting van module betrouwbaarheid, zonnecellen en modules zijn tegenwoordig getest en gekwalificeerd door versnelde levenslange Tests (ALT)⁹. De meest diepgaande tests van de kwalificatie worden gedefinieerd door de International Electrotechnical Commission (IEC) 61215 proeven¹⁰, waardoor “go/no go” besluiten op de stabiliteit van de PV-modules. Echter Osterwald et al. ¹¹ is gebleken dat een positief resultaat van de IEC-tests altijd niet betekent dat de PV-module buiten voorwaarden voor 25 of meer jaren kan staan. Deze beperkte correlatie tussen veld en laboratorium testen werd aangetoond dat geldt vooral voor de relatief nieuwe dunne-film modules¹².

Deze tests doen levert u inzicht in de mechanismen van de afbraak (‘welke processen en/of welke benadrukt leiden tot aantasting van de waargenomen traag module of tot snelle module failure?’) niet veel. Bovendien, deze tests, die op dit moment zijn gebaseerd op single of dual stressfactoren (bijvoorbeeld mechanische stress, of gecombineerde temperatuur en vochtigheid) kunnen zeker niet simuleren veld gedrag op een betrouwbare manier, aangezien PV modules in het veld zijn onderworpen aan talrijke gecombineerd benadrukt (bijvoorbeeld: temperatuur, vochtigheid, wind, sneeuw, verlichting, stof, zand, water). Deze spanningen kunnen ook variëren per klimaatzone: terwijl in de woestijn, temperatuur en verlichting zijn waarschijnlijk belangrijke stressfactoren; in gematigde klimaten, kan de invloed van bijvoorbeeld de vochtigheid ook worden heel belangrijk. Om te simuleren de afbraak en de daaruit voortvloeiende tekortkomingen in verschillende klimaten, zijn verschillende combinaties van meerdere benadrukt dus vereist. Bijgevolg, gelijktijdige blootstelling aan meervoudige druk is erg belangrijk voor het verkrijgen van een goede schatting van de betrouwbaarheid van de module in een bepaalde klimaat, en gecombineerde stresstests dus deel moeten uitmaken van laboratoriumtests.

Vandaar het voorstel dat de kwalitatieve en kwantitatieve inzicht in de mechanismen van de afbraak onder gecombineerde stress omstandigheden voorkomende moet worden verbeterd. Idealiter moet de informatie over de zonnecel of module ook tijdens deze tests, inventarisatie van de wijzigingen van het apparaat tijdens de blootstelling worden ingewonnen. Daarom hebben wij ontworpen en gebouwd van twee opstellingen waarmee gelijktijdige blootstelling aan vochtigheid, (hoge) temperaturen, elektrische vooroordelen en verlichting. In deze opstellingen, kan de ernst van deze spanningen ook worden afgestemd, afhankelijk van het doel van een experiment. Bovendien, zorgt de verlichting voor de opvolging in situ van de PV apparaten (Figuur 1)^{13,14,15,16,17,18, 19 , 20}. deze soorten tests zal worden met de naam ‘Gecombineerde stresstests met in situ metingen’ (CSI). In dit protocol, zal twee hybride afbraak setups, genaamd ‘CSI 1’ en ‘CSI 2’, worden gepresenteerd. Tal van studies, die gericht zijn op de verbetering van het inzicht in de prestaties en degradatie van vooral dunne film CIGS zonnecellen, geëxecuteerd met deze opstellingen. Een selectie van stabiliteit en temperatuur afhankelijkheid resultaten op onverpakte CIGS en CZTS zonnecellen worden gepresenteerd. Meer informatie vindt u ook in^21,22.

Figuur 1 : ‘Gecombineerde Stress tests met in situ metingen’ setup. Links: Schematisch overzicht van een CSI-setup met inbegrip van het meetsysteem. Midden en rechts: foto van de CSI opstellingen (climate chambers plus zonnesimulatoren, meetsystemen niet afgebeeld, opstellingen hebben verschillende maten). Midden is CSI1, juiste CSI2. Dit cijfer is gewijzigd van^19,30. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Protocol

Opmerking: Secties 1 en 3 zijn specifiek voor het testen van de afbraak van CIGS en CZTS zonnecellen via deze procedure, maar alle andere soorten zonnecellen (bijvoorbeeld, perovskites, organische PV en kristallijn silicium) zijn of zullen worden getest met deze opstellingen. Opgemerkt moet worden dat voor elk apparaattype en de meetkunde, een monsterhouder moet worden ontworpen. Deze houders moeten corrosiebestendige contactpersonen om te voorkomen dat de aantasting van het contact, aangezien dit de gevolgen van de aantasting van het apparaat verhullen zou. Bovendien is het aangeraden om contact op met monsters in een configuratie met vier-punts sonde, om te voorkomen dat de meting van de resultaten van gecorrodeerde contacten of draden in het meetsysteem. 1. bereiding van CIGS-zonnecellen Gebruik handschoenen in alle stappen van het protocol bij het verwerken van zonnecellen: beschermen tegen de giftige elementen, maar ook voorkomen dat de afzetting van ongewenste materialen, net als keuken zout (NaCl), op de monsters. Snijd een 1 mm x 100 mm x 100 mm natronasbest (SLG) glas monster in vier 100 x 25 mm rechthoekige stroken met een glas cutter of diamant pen ter voorbereiding van de passende substraten. Leg het SLG monster in een sputter coater. Stort de 0,5 µm dik molybdeen terug contact door Direct Current (DC) sputteren bij kamertemperatuur op de glazen substraten23. Kies uit de verschillende reeksen van de stapel, waaronder een enkellaags, een dubbelgelaagde en een multiplayer stapel. Bijvoorbeeld, een dubbelgelaagde met een hoge initiële storting sputteren druk (b.v., 0.03 mbar) gevolgd door een lagere sputteren druk (b.v., 0.003 mbar) op macht dichtheden van 1-5 W/cm2. Bereid een etsen-oplossing van 1 M NaOH en 0,3 M K3Fe(CN)624. Elektrochemisch etch een streep 6 mm van het molybdeen weg te deponeren een patroon terug contacteren.Opmerking: Op deze manier de zonnecel heeft een welomschreven gebied, zonder zonnecel gebieden door de gouden contacten, die nog gedeeltelijk tot de elektrische parameters bijdragen kunnen. Leg het monster in een vacuuemcel en stort een 2 µm dik CIGS absorber laag door een coevaporation proces onder een koper, indium, gallium, en selenium sfeer25. Bijvoorbeeld gebruik van typische substraat temperaturen van 550 tot 600 ° C en volg de afzetting van de drietraps-proces, de eerste vorming (In, Ga)2Se3 door verdamping van indium, gallium, en selenium, gevolgd door de vorming van een koperen rijke CIGS wijten aan de toevoeging van grote hoeveelheden koper. Uitschakelen van de koperen verdamper te vormen van de vereiste koper-armen CIGS absorber in de derde fase. Ook gebruiken een tweetraps afzetting bij atmosferische druk voor een goedkope proces. Uitvoeren van CuInGa afzetting, ofwel door een vacuüm sputteren te elektrochemische depositie van atmosferische druk. Volg dit door selenization onder een elementaire selenium sfeer26 in een bewegende gordel selenization oven. Leg het monster in een chemische bad en stort de CdS-buffer door een “chemische Bad afzetting” (CBD) proces met een dikte van 50 nm27. Typisch gebruik een waterbasis-oplossing van NH4OH, CdSO4en thioureum (NH2CSNH2) bij een temperatuur van ~ 70° C. Leg het monster in een sputteren tool en de i-ZnO storten / ZnO:Al front contact door radiofrequentie (RF) sputteren van i-ZnO en ZnO:Al doelen met diktes van respectievelijk 50 nm en 800-1000 nm28. Voor i-ZnO doelgroep gebruik een laag van een zuivere ZnO-doel en gebruik een ZnO-keramische met 2% Al2O3 voor de ZnO:Al laag. Gebruik afzetting temperaturen tussen kamertemperatuur en 200 ° C. Vermijd het gebruik van een geleidende metalen raster in de bovenste elektrode, zoals dit niet in commerciële modules gebruikt wordt. Daarom gebruiken deze relatief dik ZnO:Al laag om genoeg geleidbaarheid in deze cellen die een module-ontwerp na te bootsen. Zorgvuldig krassen weg een streep van 14 mm (aan de overkant van de etsen in stap 1.4) van de zonnecel met een mes. Door het verschil in hardheid van de lagen gebruiken, verwijdert u alleen de bovenste lagen (ZnO:Al / i-ZnO/cd’s / CIGS) en laat de molybdeen terug contact intact. Vormen van zonne-cellen met een breedte van 5 mm, vergelijkbaar met de breedte van een cel in een module. Leg het monster in een gouden sputteren tool en bedek het met een streep in het midden als een masker, zodat geen goud wordt gestort op de zonnecellen. Storten van gouden contacten van ~ 60 nm dikte door sputteren bij kamertemperatuur op zowel de terug contact (molybdeen) en de voorste contactpersoon (ZnO:Al) zodat het contact van de cellen.Opmerking: Het gebruik van een contactpersoon van een edelmetaal kunt lange termijn Gasbedwelming met behulp van de monsters barre omstandigheden zonder aantasting van de contactpersonen, zodat de aantasting van de cel kan worden bestudeerd. De strips met een glassnijder of een diamant-pen in 7 mm breed monsters gesneden, dat nu hebben een celoppervlak van ~ 7 x 5 mm en een totale grootte van 7 mm x 25 mm (Figuur 2).Opmerking: Een schematische voorstelling van de dwarsdoorsnede en een beeld van de microscopie van een cel wordt weergegeven in Figuur 2. Voor de experimenten met CZTS zonnecellen, heeft een procedure van verschillende afzetting van de laag van de actieve absorber (CZTS) gevolgd (vergelijkbaar met referentie29), terwijl alle andere lagen afgezet ingevolge een analoge procedure. Figuur 2 : CIGS proeven ontwerp. (boven) Schematische weergave van de doorsnede van een CIGS monster en (onder) een beeld van de Microscoop van een CIGS monster genomen vanaf de bovenkant. Dit cijfer is deels aangepast van referenties14,30. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. 2. analyse van de zonnecellen voor afbraak De ex situ huidige spanning (IV) prestaties meten van de zonnecellen onder standaard testomstandigheden (STC, verlichting: 1000 W/m² en AM 1.5, temperatuur: 25 ° C) in een configuratie met vier punt sonde om te bepalen van de elektrische parameters met een IV tester. Meten van de externe quantum efficiency (EQE) voor de exacte stroomdichtheid en golflengte afhankelijk absorptie30,31 met een spectrale respons (SR) setup en bereken de exacte stroomdichtheid. Opnemen van de verlichte lock-in Thermografie (ILIT)31 en de fotoluminescentie (PL) toewijzing31 met een grote vergroting toewijzen en nemen (microscopie) beelden te identificeren visuele en laterale gebreken. Leg het monster onder een ILIT apparaat met warmte-detector met een 15 µm lens voor hoge vergroting en een IR verlichting bron. Verlichten van het monster en de ruimtelijke verschil in temperatuur waarin de verwarmde locaties opnemen. Leg het monster onder een toewijzing PL setup om een ruimtelijke fotoluminescentie beeld te krijgen. Gebruik een krachtige LED lichtbron voor verlichting en een CCD-camera voor data detectie.Opmerking: Voorbeelden kunnen worden gevonden in verwijzingen15,16,20,30. Selecteer een aantal zonnecellen voor de aantasting van het experiment, terwijl de plaatsing van de rest van de monsters in een handschoenenkast argon als referentie. Selecteer een gemengde set van zonnecellen als referentie en experimentele monsters, dus geen verschil in de volledige dia’s (bijvoorbeeld verlopen in samenstelling) zijn in de dezelfde ernst presenteren in de Naslaggids voor experiment en monsters.Opmerking: Dit kan bijvoorbeeld betekenen dat cellen met posities 1, 3, 4, 5, 7 en 8 op de dia’s experimentele cellen, zijn terwijl de posities 2 en 6 zijn verwijzingen naar cellen. 3. plaatsing van de zonnecellen in monster houders Plaats de zonnecellen in monster houders die niet een schaduw werpen op de cellen en maak tussen de gouden voorzijde en rug contacten en meting pinnen contact.Opmerking: De houders van de steekproef zijn speciaal ontworpen om te weerstaan de barre omstandigheden tijdens de proeven van het klimaat. Bovendien zijn ze gemaakt van materialen die slechts een explosieve beperkte hebben. Plaats de monster-houders op het monster rek binnen de CSI setup, waardoor elektrisch contact tussen de zonnecellen en de prestatiemetingsprogramma’s buiten de setup. Plaats het monster rek op de speciale positie, waar het zal worden verlicht door een AM 1.5 licht bron.Opmerking: Lichtbron specificaties zijn als volgt. CSI1: 40 x 40 cm gebied, 1000 W/m2, BAA gekalibreerd verlichting; CSI2: 100 x 100 cm2 -gebied, 1000 W/m2AAA gekalibreerd verlichting, kalibraties volgens IEC60904-9:2007-32. 4. uitvoering van de aantasting van het Experiment Schakel in de zonne-simulator, de meetapparatuur, de kamer van het klimaat en de computer. Het programma van de computer van de meting, die de zonne-simulator, elektrische vooroordelen en klimaat kamer instellingen onder controle. Definieer de spanningsbereik spanning stappen, meting reeks en de tijd tussen de metingen in de software van de meting IV en temperatuur, vochtigheid, bias spanning en verlichting profielen definiëren in de software.Opmerking: Laat deze software sturen de metingen tijdens het volledige experiment. Gebruik voor standaardinstellingen voor de IV-metingen, spanning in het bereik -0,2 V tot + 1,0 V in 120 stappen (0.01 V/stap). Merk op dat in de meeste gevallen het systeem afwisselend de IV-metingen van alle monsters en pauzes van ongeveer 5 min. Het stabiliseren van de temperatuur van de kamer van het klimaat en de zonnecellen in de setup. Let op de temperatuur van het monster in de software.Opmerking: Een typische temperatuur voor de zonnecellen is 25 ° C, die de STC temperatuur is. Aangezien de verlichting de monsters warmt, is de temperatuur van het monster altijd hoger dan de omringende kamer. Typische begin temperatuur van de kamer van de klimaat-10 ° C tot + 5 ° C (+ 5 ° C kamer temperatuur kan bijvoorbeeld leiden tot CIGS monster temperaturen van 25 ° C). Als andere monster ontwerpen of composities zijn geselecteerd, kunnen verkrijgen van de temperatuur van 25 ° C monster andere kamer temperaturen worden verlangd. De klimaat-zaal langzaam verhit totdat zij 85 ° C, bijvoorbeeld bij 0,1-0,3 tot ° C/min. de kamer temperatuur van de kamer van de klimaatcomputer en lees de temperatuur van het monster van de software.Opmerking: Typische monsters temperaturen zijn dan 100 ° C à 110 ° C wanneer de zaal 85 ° C. is Deze waarden variëren van monsters, en worden vooral beïnvloed door het type ondergrond, de monster houder ontwerp en materiaal en de zonnecel zelf. Tijdens deze fase zijn de cellen in open circuit omstandigheden wanneer ze niet gemeten worden, tenzij anders vermeld. Als de invloed van interne spanning vooringenomenheid tijdens de verwarming worden uitgesloten moet, kan de verlichting ook worden uitgeschakeld tijdens deze etappe. Voor CSI1, door een individuele thermokoppel te hechten aan alle individuele cellen om hun temperatuur, terwijl in de CSI2 gebruik 15 thermokoppels voor 32 monsters te meten. Registreren en melden van de individuele temperaturen. Automatisch de huidige spanning curven van de zonnecellen één voor één te meten tijdens de verwarming, wat betekent dat ze zijn bepaald elke 0,5 aan verschillende min, afhankelijk van het aantal monsters. Observeer de elektrische parameters in de software. De elektrische parameters van de huidige spanning curven te berekenen. Altijd bepalen de efficiëntie, open circuit voltage, kortsluiting stroomdichtheid, opvulfactor, serie weerstand en verzet shunt. Het bepalen van de weerstanden vanaf de hellingen op het einde van de huidige spanning curven. Indien nodig, bepalen ook de idealiteit factor, verzadiging stroomdichtheid en foto stroomdichtheid door het aanbrengen met de één-diode model14.Opmerking: Echter rekening mee dat deze procedures montage relatief onbetrouwbare voor aangetaste zonnecellen die gedragen zich niet zoals ideale diodes. De efficiëntie uitgedrukt door deze verhoogde temperaturen zal lager zijn dan onder de STC, die meestal zichtbaar in een daling in de open circuit voltage13is. Inschakelen van de luchtvochtigheid in de zaal van het klimaat, een standaardinstelling is een relatieve vochtigheid (RH) van 85%. Dit is over het algemeen het uitgangspunt van het experiment (t = 0 h). Observeer de RH van de kamer van de klimaatcomputer.Opmerking: De feitelijke monster relatieve vochtigheid is lager dan de ingestelde waarde. Dit wordt veroorzaakt door het feit dat de temperatuur van het monster hoger dan 85 ° C, is terwijl de absolute vochtigheid hetzelfde is: aangezien de relatieve vochtigheid een functie van de temperatuur is, deze waarde is lager dan 85% RH33. Laat de monsters in de CSI opstellingen voor 100s om 1,000s uur, tijdens het meten van de huidige spanning bochten. Meten van de curven elke 5 tot 10 min, maar variëren dit op aanvraag. Observeer de elektrische parameters in de software. In de resterende tijd, houd de monsters onder open stroomkring (standaard voorwaarden) of plaats ze onder verschillende elektrische vooroordelen met het gebruik van elektrische ladingen, variërend van -20 V tot 20 V. In het geval dat een wijziging van de elektrische bias vereist is tijdens het experiment, wijzigt u de ingestelde waarde in de tracer-software.Opmerking: ‘Standaard’ instellingen zijn de maximale power punt (MPP) voorwaarden (de operatie spanning en stroom van een zonnecel), kortsluiting bepalingen en voorwaarden met een beperkte negatieve spanning. Gebruik de laatste te simuleren van gedeeltelijke module arcering. Voor meer informatie over monsters na verschillende belichtingstijden, door een beperkt aantal monsters in de houders van het monster uit de setup voor de anderen te verwijderen. Dit onder verlichting en uitvoeren in een zeer snelle manier om te minimaliseren van de invloed op de overige monsters. Dit is natuurlijk alleen mogelijk voor kleine steekproeven. Aan het einde van het experiment, langzaam afkoelen van de zaal tot kamertemperatuur in een paar uur en verwijder de monsters samen met hun monster houders. Let op de temperatuur van de kamer van de klimaatcomputer.Opmerking: Het is ook mogelijk om het gebruik van andere licht intensiteit (bijvoorbeeld, 800 W/m2 of ultraviolet licht), terwijl de luchtvochtigheid en temperatuur kan natuurlijk ook worden gevarieerd. In dat geval moeten de verkregen elektrische parameters worden gecorrigeerd voor de verschillende lichtsterkte. Werd naar voren gebracht dat onverwachte wijzigingen in de elektrische parameters opgetreden toen CIGS-zonnecellen kort waren (bijv., 15 min) niet verlicht (en verwarmd door de bron van de verlichting). Als dit effect niet het doel van de studie is, is het raadzaam om te vertrekken voor de verlichtingskunde voortdurend14. 5. analyse van gedegradeerd en verwijzen naar cellen De ontwikkeling van de elektrische parameters als functie van de blootstellingstijd in de opstellingen van de aantasting van het plot. Herhaal de metingen ex situ IV van de aangetaste zonnecellen direct nadat de monsters uit de opstellingen te verkrijgen van de elektrische parameters op STC zijn verwijderd. Herhaal de externe quantum efficiency metingen voor de exacte stroomdichtheid en golflengte-afhankelijke absorptie. Neem opnieuw de verlichte lock-in thermografie toewijzing en fotoluminescentie mapping en fotograferen (microscopie) vast te stellen van elke wijziging in visuele en laterale gebreken. Dezelfde instellingen gebruiken als voor afbraak. Gebruik van andere analysetechnieken, zoals (dwarsdoorsnede) Scannende Elektronen Microscoop-Energy Dispersive X-ray spectroscopie (SEM-EDX)31, X-Ray diffractie (XRD)31, secundaire Ion massa spectroscopie (SIMS)31en temperatuur afhankelijke huidige spanning (IV(T)),31 om de mechanismen van de storing nader te identificeren. Deze destructieve analyses uitvoeren op beide gedegradeerd en verwijst naar de monsters te observeren de veranderingen als gevolg van blootstelling in de CSI-opstellingen. 6. definitie van de degradatie en modi Alle gegevens om te definiëren van degradatie en hun impact op lange termijn stabiliteit van het zonne-cellen of de modules te combineren.

Representative Results

De CSI opstellingen zijn gebruikt voor een breed scala van experimenten. Experimenten hebben zowel gericht op de invloed op de cel of de module samenstelling en het ontwerp, alsmede over de invloed van de afbraak-voorwaarden. Enkele voorbeelden van de ontwikkeling van elektrische parameters worden weergegeven in de volgende cijfers. In Figuur 3, Figuur 5, Figuur 6en Figuur 7 werden metingen in CSI1, terwijl Figuur 4 werd verkregen in de CSI2. In deze cijfers, het verbeelden van de efficiëntie van het apparaat, het open circuit voltage of de shunt weerstand is gekozen, maar andere parameters kunnen natuurlijk ook worden uitgezet. Figuur 3 en 4 van de figuur weergeven de invloed van de afbraak-voorwaarden op stabiliteit van alkali-rijke CIGS-zonnecellen zonder een barrière vochtigheid of enig ander materiaal van het pakket. Figuur 3 toont dat deze cellen degraderen wanneer ze worden blootgesteld aan verlichting, warmte en vochtigheid, terwijl ze quasi stabiel bij gebrek aan vochtigheid zijn. Dit geeft aan dat deze zonnecellen of analoge modules volledig stabiel wanneer goed verpakt tegen vochtigheid15zou kunnen zijn. Potentiële pakket materialen behoren natuurlijk glas, maar ook flexibele belemmeringen, die vaak gebaseerd zijn op organisch-anorganische multi stapels15. In toekomstige experimenten, zal ook deze mogelijkheden worden getest. Deze resultaten geven ook aan dat dit materiaal pakket niet noodzakelijk in een warm en droog klimaat zitten macht. Figuur 4 toont de invloed van een bias spanning bij blootstelling aan vochtige warmte plus verlichting: deze voorlopige resultaten wijzen erop dat een negatieve laagspanning (-0,5 V, grijze curven) waarschijnlijk een meer negatieve invloed op stabiliteit dan kortsluiting, open circuit heeft, en MPP voorwaarden18. Figuur 3 : Invloed van vochtigheid op CIGS zonnecel stabiliteit. De ontwikkeling van de efficiëntie van onverpakte CIGS-zonnecellen als functie van de blootstelling tijd om verlichting plus droge warmte (rood) en vochtige warmte (blauw) genomen bij verhoogde temperaturen. Elke lijn vertegenwoordigt een zonnecel. Dit cijfer is gewijzigd van referentie15. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 4 : Invloed van elektrische ladingen op CIGS zonnecel stabiliteit. Evolutie van de efficiëntie van onverpakte cellen als een functie van de tijd op verschillende spanningen plus vochtige warmte en verlichting. Grijs, blauwe, groene en rode bochten geven blootstelling aan -0,5 V, 0 V, ~ VMPPen open circuit omstandigheden, respectievelijk. Deze parameters worden verkregen bij hogere temperaturen, terwijl de kamertemperatuur efficiencyeffecten ongeveer 50% hoger zijn. Elke lijn vertegenwoordigt een zonnecel. Dit cijfer is gewijzigd van referentie18. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Als gevolg van de trage verwarming (0,1-0,3 ° C/min) tijdens de fase van de verwarming en de real-time metingen, deze opstellingen ook automatisch toestaan van de bepaling van de temperatuur-afhankelijkheid van zonnecellen. Figuur 5 toont de afhankelijkheid van de open stroomkring spanningen zoals verkregen uit de verwarming curven voor afbraak experimenten. Deze grafiek toont dat er verschillen bestaan tussen de open circuit voltage (Voc) temperatuur afhankelijkheid van verschillende CIGS-zonnecellen, terwijl andere parameters, zoals de serie weerstand en de huidige kortsluiting (niet afgebeeld) display nog groter verschillen tussen cellen. De ontwikkeling van andere parameters kan worden gevonden in verwijzing34. Figuur 5 : Temperatuur afhankelijkheid van CIGS-zonnecellen. De afhankelijkheid van de temperatuur van het open circuit voltage (Voc) van twee niet-ingepakte CIGS-zonnecellen. De kleuren geven aan verschillende zonnecel ontwerpen: de blauwe vierkantjes vertegenwoordigen monsters met de cel ontwerp en afzetting procedure zoals hierboven beschreven. De rode cirkels geven een zonnecel niet-verpakt CIGS op polyimide folie met absorptieflessen gestort met ion-beam bijgestaan coevaporation. Elke lijn vertegenwoordigt een zonnecel. Dit cijfer is gewijzigd van referentie34. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Figuur 6 laat zien dat kleine verschillen in de samenstelling van zonnecellen kunnen een grote invloed op de stabiliteit van het apparaat. Dit experiment aangetoond dat alkali-rijke monsters met een grote hoeveelheid natrium en kalium had een hogere efficiëntie van de eerste, maar ze ook sneller afgebroken. Aan de andere kant werden ook quasi stabiel onverpakte zonnecellen die slechts kleine hoeveelheden van alkali-elementen (“alkali-armen” monsters) geproduceerd. Deze zonnecellen werden zo bijna intrinsiek stabiele en hoefde niet elke beschermend materiaal. Op basis van deze informatie, gecombineerd met ex situ de resultaten van de analyse, de aantasting van de belangrijkste mechanismen voor deze monsters kon worden geïdentificeerd: werd naar voren gebracht dat de voornaamste drijvende kracht achter de efficiëntie-verlies van de alkali-rijke monsters was een scherpe daling in shunt weerstand16. Diepgaande analyse van de eigenschappen van deze cellen weergegeven dat de migratie van alkali-elementen, meer in het bijzonder natrium, leek te veroorzaken deze daling. Meer informatie wordt gepresenteerd in verwijzingen16,20. Latere stadia van dit onderzoek willen ontwikkelen zonnecellen met de stabiliteit van de monsters van alkali-armen, en de eerste hoogrenderende van de alkali-rijke monsters. Figuur 6 : Invloed van de alkali-inhoud op CIGS zonnecel stabiliteit. Evolutie van de efficiëntie (links) en de shunt weerstand (rechts) van twee soorten onverpakte CIGS-zonnecellen blootgesteld aan vochtige warmte plus verlichting. De roze en paarse lijnen geven de alkali-armen monsters, terwijl de blauwe lijnen de alkali-rijke monsters vertegenwoordigen. De waarden werden verkregen bij hogere temperaturen, terwijl kamertemperatuur efficiencyeffecten 30-80% hoger zijn. Elke lijn vertegenwoordigt een zonnecel. Dit cijfer is gewijzigd van referentie16. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer. Een laatste voorbeeld richt zich op verschillende CZTS monsters19. Figuur 7 laat zien dat verschillende soorten niet-ingepakte zonnecellen blijk geven van een verschillende IV gedrag onder vochtige warmte plus verlichting. Opgemerkt moet worden dat deze cellen geen ideale zonnecellen, zijn zodat de toename van de efficiëntie en de spanning zoals weergegeven in deze afbeelding waarschijnlijk niet representatief voor CZTS zonne-cellen in het algemeen is en geen verklaring kan worden voorzien in dit gedrag. Meer studies moeten worden uitgevoerd om betrouwbare uitspraken over de stabiliteit van deze cellen. Figuur 7 : CZTS zonnecellen blootgesteld aan vochtige warmte plus verlichting. Evolutie van genormaliseerde open circuit voltage en efficiëntie van vier soorten niet-geoptimaliseerde zonnecellen met onverpakte CZTS als functie van de tijd, blootgesteld aan vochtige warmte plus verlichting genomen bij verhoogde temperaturen. Elke kleur schildert een ander type zonnecel van CZTS. Elke lijn vertegenwoordigt een zonnecel. Dit cijfer is gewijzigd van referentie19. Klik hier voor een grotere versie van dit cijfer.

Discussion

Twee CSI setups voor real-time bewaking van de elektrische parameters van zonnecellen en modules zijn ontworpen en gebouwd. Deze opstellingen mogelijk gelijktijdige blootstelling aan vochtige warmte, verlichting en elektrische vooroordelen, terwijl ook het in situ bepalen van de parameters van de IV van PV apparaten. Deze opstellingen zijn gebruikt om de studie van de invloed van het milieu benadrukt (luchtvochtigheid, verlichting, elektrische vooroordelen en temperatuur) en cel of module samenstelling op de lange termijn stabiliteit van onverpakte zonnecellen. Figuur 3, Figuur 4, Figuur 5, Figuur 6en 7 van de figuur weergeven op een selectie van de resultaten van deze opstellingen.

Stabiliteit resultaten (Figuur 3, Figuur 4, Figuur 6en Figuur 7) van de gepresenteerde studies moeten altijd met zorg worden behandeld: om de vertaling van deze studies naar module stabiliteit, de beperkingen van alle versnelde levenslange tests op de stabiliteit van de PV-apparaten (met inbegrip van deze studie) moeten rekening worden gehouden. Deze beperkingen worden veroorzaakt door het feit dat de omstandigheden in het laboratorium zijn bedoeld om snel identificeren degradatie, terwijl sommige degradatie mogelijk niet worden gevonden als gevolg van de selectie van de verkeerde (ernst van) benadrukt. Bovendien, de gekozen voorwaarden kunnen ook leiden tot degradatie en daaruit voortvloeiende mislukkingen die niet voorkomen in het veld of optreden in het gebied vóór of na het verwachte tijdsbestek. Terwijl bijvoorbeeld voor vochtige warmte voorwaarden (85 °C/85% RH), wordt uitgegaan van een versnelling factor van 219, referentie²⁵ liet zien dat dit tarief vaak niet-lineaire is en in CIGS modules tussen 10 en 1000, en voor de aantasting van de verschillende mechanismen variëren kan.

Voor het inschatten van de geldigheid van de gepresenteerde resultaten, de belangrijkste verschillen tussen de veld-module moeten de blootstelling en de gepresenteerde experimenten rekening worden gehouden:

a. gebruikte laboratoriumomstandigheden zijn ernstiger dan veldomstandigheden, die is een intrinsieke vereiste voor versnelde testen. Bovendien, de omstandigheden in deze experimenten zijn meestal constant, terwijl modules in het veld zal worden blootgesteld aan continu veranderende omstandigheden.

b. in de gepresenteerde experimenten, werden niet-verpakt zonnecellen gebruikt. Natuurlijk, barrière materialen en rand mastieken zal een belangrijke rol spelen in de stabiliteit van het apparaat (vooral in vochtige omstandigheden). Bovendien, de invloed van interconnectie en inkapseling materialen is ook heel belangrijk en mag niet worden verwaarloosd. Zeker, experimenten met verpakte en onderling verbonden mini-modules zijn ook mogelijk in deze opstellingen.

c. wijten aan de verlichting, werden de experimenten die in Figuur 3, Figuur 5, Figuur 6en Figuur 7 gepresenteerd geëxecuteerd open circuit omstandigheden wanneer de IV-krommen werden niet opgenomen. Echter, modules moeten functioneren onder MPP voorwaarden, terwijl de cellen kunnen ook worden blootgesteld aan bias voorwaarden in het geval van gedeeltelijke module shadowing omgekeerd. Figuur 4 toont aan dat slechts verschillen tussen MPP en open stroomkring voorwaarden beperkte werden waargenomen in dat specifieke experiment kunnen, maar die verschillen voor andere cellen of voorwaarden.

d. de samenstelling van de CIGS-zonnecellen heeft een grote invloed op de stabiliteit op lange termijn. Voorbeelden van studies over de invloed van de samenstelling op de stabiliteit kunnen bijvoorbeeld worden gevonden in verwijzingen^16,20. Aangezien de precieze aard van de invloed van vele kleine wijzigingen in de zonnecel stack nog niet is geïdentificeerd, kan afbraak optreden sneller of langzamer dan verwacht.

De bovenstaande factoren aangeven dat een groot aantal versnelde levensduur studies met variatie in afbraak voorwaarden en samenstelling van de steekproef nodig is om echt module veld prestaties te voorspellen. Bovendien moeten deze resultaten dus gecombineerd worden met veldstudies een compleet beeld over de lange termijn stabiliteit van PV-modules te krijgen.

Wij stellen echter dat de opstellingen gepresenteerd in dit onderzoek aanzienlijke verbeteringen ten opzichte van de standaard IEC-tests, als gevolg van de gecombineerde stress blootstelling, alsmede toezicht op de in situ zijn . Deze eigenschappen sterk verbeteren van de voorspellende waarde van versnelde levensduur experimenten en vergroten van ons begrip van degradatie. De vier belangrijkste voordelen in vergelijking met de ‘standaard’ (bijvoorbeeldIEC 61215) tests zijn de volgende mogelijkheden:

a. testen onder blootstelling aan gecombineerde benadrukt (d.w.z., temperatuur, vochtigheid, verlichting en elektrische vooroordelen).

b. Tuning van gecombineerde benadrukt om te simuleren van de lokale klimaten (b.v., woestijn of polar voorwaarden).

c. tuning van elektrische vooroordelen, bijvoorbeeldom effecten van gedeeltelijke arcering te simuleren.

d. real-time bewaking van de Apparaatprestaties, waardoor eenvoudiger en sneller testen en betere voorspelling of beperking van de degradatie als gevolg van een verhoogd kennisniveau.

e. verminderd testen van tijd, omdat direct na een test kan worden gestopt een storing zijn opgetreden, in plaats van na de gedefinieerde testperiode (bijvoorbeeld, 1000 h).

Daarom wordt voorgesteld dat levenslange studies met de gepresenteerde opstellingen u aanzienlijk de kwalitatieve en kwantitatieve begrip en voorspelling van stabiliteit op lange termijn van zonnecellen en -modules verbeteren kunnen. In de toekomst een setup ‘Gecombineerde stresstests met in situ metingen’ aanbieden (CSI) voor volledige schaal modules zal worden ontwikkeld: de opstellingen met verlichte gebieden van 40 x 40 cm en 100 x 100 cm zijn te klein voor full-size PV modules, dus plannen om de schaal van dit gecombineerde stress meting concept lopen.

Materials

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