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.
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.
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.
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.
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.
The authors have nothing to disclose.
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.
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 |