هما ‘اختبار الإجهاد المجمعة مع القياس في الموقع ‘ الأجهزة، التي تسمح للرصد في الوقت الحقيقي للتدهور المتسارع للخلايا الشمسية والوحدات النمطية، تم تصميمها وبناؤها. تسمح هذه الأجهزة للاستخدام المتزامن للرطوبة والحرارة والتحيزات الكهربائية، والإضاءة التي تسيطر بشكل مستقل عوامل الإجهاد. عرض الأجهزة ومختلف التجارب المنفذة.
ليفيليزيد تكلفة الكهرباء (لكوي) للنظم الكهربائية الضوئية (PV) يحدده، بين عوامل أخرى، موثوقية الوحدة الكهروضوئية. التنبؤ أفضل آليات التدهور ومنع فشل حقل الوحدة النمطية يمكن وبالتالي تقليل مخاطر الاستثمار، فضلا عن زيادة إنتاج الكهرباء. على مستوى تحسين معرفة يمكن لهذه الأسباب إلى حد كبير انخفاض التكاليف الإجمالية للكهرباء الكهروضوئية.
من أجل فهم أفضل وتقليل تدهور الوحدات الفلطائية الضوئية، وينبغي تحديد حدوث تدهور الآليات والشروط. يجب أن يحدث هذا يفضل أن يكون ذلك تحت الضغوط مجتمعة، حيث تتعرض الوحدات في الميدان أيضا في نفس الوقت إلى عدة عوامل الإجهاد. ولذلك، قد تصمم وتصنع الأجهزة اثنين ‘اختبار”الإجهاد جنبا إلى جنب”مع القياس في الموقع ‘. تسمح هذه الأجهزة الاستخدام المتزامن للرطوبة ودرجات الحرارة والإضاءة والتحيزات الكهربائية كعوامل الإجهاد التي تسيطر عليها بشكل مستقل عن الخلايا الشمسية ومينيمودوليس. كما تسمح الأجهزة في الوقت الحقيقي رصد الخصائص الكهربائية من هذه العينات. هذا البروتوكول ويعرض هذه الأجهزة، ويصف الاحتمالات التجريبية. وعلاوة على ذلك، يتم عرض النتائج التي تم الحصول عليها مع هذه الأجهزة أيضا: أمثلة مختلفة حول تأثير ظروف الترسيب وتدهور على الاستقرار رقيقة Cu (في, Ga) سي2 (CIGS) فضلا عن Cu2زنسنسي4 (كزتس) ويرد وصف الخلايا الشمسية. وتعرض النتائج على التبعية درجة الحرارة للخلايا الشمسية CIGS أيضا.
وتعتبر النظم الكهروضوئية شكلاً فعالاً من حيث التكلفة للطاقة المتجددة. الوحدات الفلطائية الضوئية تمثل جوهر هذه النظم الكهروضوئية وتباع عموما مع ضمان أداء لأكثر من 25 عاماً (مثلاً، فقدان الكفاءة 20% كحد أقصى بعد هذه الفترة)1. من الأهمية بمكان لثقة المستهلكين والمستثمرين استيفاء هذه الضمانات. إنتاج الكهرباء ولذلك ينبغي مستقرة وعالية ممكن على الأقل عمر الوحدة النمطية المطلوبة. هذا يجب أن تدار بالحد من تدهور بطيئا ولكن مطردا2 والفشل غير متوقعة من وحدة نمطية سابقة لأوانها، والتي، على سبيل المثال، يمكن أن تحدث بسبب أخطاء الإنتاج. أمثلة لفشل الوحدة الملحوظة في المجال التدهور الناجم عن احتمال (PID)3 و4 من التدهور الناجم عن الضوء (غطاء) لوحدات السليكون المتبلر أو المياه التآكل المستحث في CIGS وحدات5،6 , 7 , 8-بغية منع عمر حقل مخفضة من الوحدات الفلطائية الضوئية، آليات تدهور ينبغي ولذلك حددت والتقليل إلى أدنى حد.
تحسين فهم آليات التدهور التي تحدث في الخلايا الفلطائية الضوئية أو وحدات يساعد أيضا على تخفيض تكاليف إنتاج الوحدة النمطية PV: في العديد من الحالات، يتم إدخال مواد واقية ضد الضغوط البيئية في الوحدات النمطية تقدم عمر مضمونة. هذا المثال الحقيقي لوحدات رقيقة مرنة، مثل CIGS، التي تحتوي على حاجز مكلفة لمنع تسرب المياه. يمكن جعل كل حزمة المواد في هذه الوحدات النمطية تصل إلى 70 في المائة تكاليف الوحدة النمطية. غالباً ما تكون هذه المواد الواقية عمليات الإفراط كي تكون معينة للحصول على عمر المطلوبة: المزيد من المعرفة عن آليات تدهور ولجعل الخلايا الشمسية أكثر ارتباطاً وثيقا مستقرة ويمكن التنبؤ بها على نحو أكثر دقة. فهم أفضل للاستقرار طويل الأجل للوحدة النمطية ومكوناته أن ذلك يرجح أن منع الإفراط أبعاد والسماح بتخفيض التكاليف لهذه المواد الواقية.
لإعطاء إجراء تقدير عام لموثوقية الوحدة النمطية، الخلايا الشمسية والوحدات النمطية في الوقت الحاضر اختبار ومؤهل بواسطة اختبارات عمر المعجل (ALT)9. اختبارات التأهيل أعمق تتحدد ب اختبارات 61215 الدولية الكهروتقنية (IEC)10، التي تعطي القرارات “المتابعة/عدم الذهاب” على استقرار الوحدات الفلطائية الضوئية. ومع ذلك، أوستيروالد et al. 11 كشفت عن أن نتائج إيجابية لاختبارات اللجنة الانتخابية المستقلة لا يدل دائماً أن الوحدة النمطية الكهروضوئية يمكن أن تقف الظروف في الهواء الطلق لمدة سنوات 25 أو أكثر. حد هذا الارتباط بين الميدان ومختبر التجارب اتضح أن يكون صحيحاً بشكل خاص ل وحدات رقيقة نسبيا الجديدة12.
هذه الاختبارات لا تسفر عن التبصر في آليات تدهور (‘العمليات و/أو التي تؤكد يؤدي إلى التدهور الملحوظ نمطية بطيئة أو الفشل السريع وحدة؟’). وعلاوة على ذلك، هذه الاختبارات، التي تقوم حاليا على عوامل الإجهاد مفرد أو مزدوج (على سبيل المثال الضغط الميكانيكي، أو الجمع بين الحرارة والرطوبة) يمكن التأكيد لا محاكاة سلوك الحقل بطريقة موثوق بها، إذ هي تخضع الوحدات الفلطائية الضوئية في الحقل إلى العديد مجتمعة تؤكد (على سبيل المثال: درجة الحرارة، الرطوبة، الرياح، الثلج، الإضاءة، والغبار، والرمل، المياه). هذه الضغوط يمكن أن تختلف أيضا كل منطقة المناخ: بينما في الصحراء، ودرجة الحرارة، والإضاءة عوامل الإجهاد الهامة المحتملة؛ في المناخات المعتدلة، يمكن أن يكون تأثير الرطوبة على سبيل المثال مهمة جداً. إلى محاكاة تدهور وما يترتب عليها من الفشل في المناخات المختلفة، وبالتالي مطلوبة توليفات مختلفة من الضغوط المتعددة. ونتيجة لذلك، التعرض المتزامن للضغوط متعددة مهم جداً للحصول على وضع تقدير جيد لموثوقية الوحدة النمطية في مناخ معين، واختبارات الإجهاد مجتمعة وبالتالي ينبغي أن يكون جزءا من الاختبارات المعملية.
ولذلك يقترح أنه ينبغي تحسين فهم الآليات التدهور التي تحدث تحت ظروف الإجهاد الجمع بين النوعية والكمية. ومن الناحية المثالية، ينبغي أن تجمع معلومات حول الخلايا الشمسية أو الوحدة النمطية أيضا خلال هذه التجارب، للسماح بتحديد تغييرات الجهاز أثناء التعرض. ولذلك، ونحن قد تصمم وتبني اثنين من الأجهزة التي تسمح التعرض المتزامن للرطوبة ودرجات الحرارة (مرتفعة)، والتحيزات الكهربائية والإضاءة. في هذه الأجهزة، شدة هذه الضغوط يمكن أيضا ضبطها، اعتماداً على أن الهدف من التجربة. بالإضافة إلى ذلك، يسمح الإضاءة في الموقع مراقبة الكهروضوئية الأجهزة (الشكل 1)13،14،15،16،،من1718، 19 , 20-سيتم تسمية هذه الأنواع من الاختبارات ‘اختبارات الإجهاد المجمعة مع القياسات في الموقع ‘ (منظمة التضامن المسيحي الدولية). في هذا البروتوكول، سيقدم الهجين اثنين تدهور الأجهزة، المسماة ‘منظمة التضامن المسيحي الدولية 1’ و ‘منظمة التضامن المسيحي الدولية 2’. وقد أعدم العديد من الدراسات، تهدف إلى تحسين فهم الأداء وتدهور خاصة رقيقة CIGS الخلايا الشمسية، مع هذه الأجهزة. يتم عرض مجموعة مختارة من الاستقرار ودرجة الحرارة تبعية النتائج التي تحققت في الخلايا الشمسية CIGS وكزتس غير المعبأة. ويمكن أيضا الاطلاع على مزيد من المعلومات في21،22.
الشكل 1 : إعداد ‘اختبارات”الإجهاد جنبا إلى جنب”مع القياسات في الموقع ‘- اليسار: نظرة عامة على التخطيطي من إعداد منظمة التضامن المسيحي الدولية بما في ذلك نظام القياس. الوسط واليمين: صورة فوتوغرافية للأجهزة منظمة التضامن المسيحي الدولية (المناخ الدوائر بالإضافة إلى محاكاة الشمسية، نظم القياس لا يصور، على الأجهزة ذات أحجام مختلفة). الأوسط هو CSI1، وهو حق CSI2. وقد تم تعديل هذا الرقم19،30. الرجاء انقر هنا لمشاهدة نسخة أكبر من هذا الرقم-
تم تصميمها وبناؤها اثنين من الأجهزة منظمة التضامن المسيحي الدولية للرصد في الوقت الحقيقي للمعلمات الكهربائية من الخلايا الشمسية والوحدات النمطية. تسمح هذه الأجهزة المتزامنة من التعرض للحرارة الرطوبة والإضاءة، والتحيزات الكهربائية، بينما أيضا في الموقع تحديد المعلمات الرابع من الأجهزة الكهروضوئية. وقد استخدمت هذه الأجهزة لدراسة تأثير الضغوط البيئية (الرطوبة والإضاءة، والتحيزات الكهربائية، ودرجة الحرارة) فضلا عن تكوين خلية أو وحدة نمطية على الاستقرار طويل الأجل للخلايا الشمسية غير المعبأة. الشكل 3، الرقم 4، الرقم 5، 6 الرقم، و الرقم 7 عرض مجموعة نتائج التي تم الحصول عليها بهذه الأجهزة.
وينبغي دائماً التعامل مع الرعاية النتائج الاستقرار (الشكل 3، الرقم 4 الرقم 6و الرقم 7) من خلال الدراسات المقدمة: بغية جعل الترجمة من هذه الدراسات إلى الوحدة النمطية للاستقرار، والقيود التي تعاني منها جميع وينبغي مراعاة اختبارات الحياة المعجلة على استقرار الأجهزة الكهروضوئية (بما في ذلك هذه الدراسة). هي سبب حقيقة أن الظروف في المختبر تهدف إلى سرعة تحديد آليات تدهور، في حين لا يمكن العثور على بعض آليات تدهور بسبب اختيار خاطئ (شدة) وتشدد على هذه القيود. وعلاوة على ذلك، الشروط التي اخترتها قد يؤدي أيضا إلى آليات تدهور وما يترتب عليها من الإخفاقات التي لا تحدث في الميدان أو تحدث في الميدان قبل أو بعد الإطار الزمني المتوقع. بينما على سبيل المثال لظروف الحرارة رطبة (85 °C/85% RH)، يفترض عامل تسريع 219، مرجع25 أظهرت أن هذا المعدل غير الخطية في كثير من الأحيان، ويمكن أن تختلف في وحدات CIGS بين 10 و 1000، وتدهور مختلف الآليات.
لتقدير صحة النتائج المعروضة، أهم الاختلافات بين الوحدة الميدانية ينبغي التعرض والتجارب التي عرضت في الاعتبار:
أ الظروف المختبرية المستخدمة أشد من الظروف الميدانية، وشرط جوهري للاختبار السريع. وعلاوة على ذلك، الظروف السائدة في هذه التجارب معظمها ثابت، بينما الوحدات في الميدان سوف يتعرض للظروف المتغيرة باستمرار.
باء-في التجارب التي عرضت، استخدمت الخلايا الشمسية غير المعبأة. وبطبيعة الحال، مواد الجدار ولاصق الحافة سوف تلعب دوراً هاما في استقرار الجهاز (لا سيما تحت الظروف الرطبة). بالإضافة إلى ذلك، تأثير الترابط وتغليف المواد أيضا مهم جداً ولا ينبغي إهمالها. ومن المؤكد أن التجارب مع وحدات صغيرة مغلفة ومترابطة أيضا ممكنة في هذه الأجهزة.
جيم نظراً للإضاءة، والتجارب التي عرضت في الشكل 3، الرقم 5، الرقم 6و الرقم 7 أعدم تحت ظروف الدائرة المفتوحة عند منحنيات الرابع لم تسجل. ومع ذلك، يجب أن تعمل وحدات تحت ظروف MPP، بينما الخلايا يمكن أن يتعرض أيضا عكس الظروف التحيز في حالة الوحدة النمطية جزئية التظليل. يبين الشكل 4 أن تقتصر الخلافات بين MPP وظروف الدائرة المفتوحة وقد لوحظت في تلك التجربة محددة، ولكن قد يكون مختلفاً بالنسبة للخلايا أو ظروف أخرى.
دال-تكوين الخلايا الشمسية CIGS له تأثير كبير على الاستقرار طويل الأجل. يمكن الاطلاع على أمثلة لدراسات عن تأثير تكوين على الاستقرار وعلى سبيل المثال في مراجع16،20. نظراً للطابع الدقيق لتأثير العديد من التعديلات الصغيرة في المكدس الخلايا الشمسية لم تحدد بعد، وقد يحدث تدهور أسرع أو أبطأ مما كان متوقعا.
العوامل المذكورة أعلاه تشير إلى أن عدد كبير من الدراسات مدى الحياة المعجلة مع الاختلاف في تدهور الأوضاع، وتكوين نموذج مطلوب حقاً التنبؤ بالأداء الميداني وحدة. وعلاوة على ذلك، ولذلك ينبغي أن تقترن هذه النتائج مع الدراسات الميدانية الحصول على صورة كاملة عن الاستقرار طويل الأجل للوحدات الفلطائية الضوئية.
ومع ذلك، فإننا نقترح أن الأجهزة المعروضة في هذه الدراسة تحسينات كبيرة مقارنة بالاختبارات القياسية اللجنة الانتخابية المستقلة، بسبب التعرض للإجهاد مجتمعة فضلا عن الرصد في الموقع . هذه الخصائص إلى حد كبير تحسين القيمة التنبؤية لتجارب الحياة المتسارع، وزيادة فهمنا لآليات تدهور. المزايا الرئيسية الأربعة ‘معيار’ (مثلاً، IEC 61215) بالمقارنة مع الاختبارات هي الإمكانيات التالية:
(أ) اختبار تحت التعرض للضغوط مجتمعة (أي، والحرارة والرطوبة، والإضاءة، والتحيزات الكهربائية).
(ب) ضبط تؤكد مجتمعة من أجل محاكاة المناخات المحلية (مثلصحراء أو الظروف القطبية).
جيم ضبط من التحيزات الكهربائية، مثلاً، لمحاكاة آثار التظليل الجزئي.
دال في الوقت الحقيقي رصد أداء الجهاز، مما يسمح لأبسط وأسرع اختبار فضلا عن تحسين التنبؤ أو الحد من آليات تدهور بسبب مستوى زيادة معرفة.
هاء خفض اختبار الزمن، حيث يمكن إيقاف اختبار مباشرة بعد حدث عطل، بدلاً من بعد فترة اختبار محددة (مثلاً، ح 1,000).
ولذلك يقترح أن الدراسات مدى الحياة مع الأجهزة المقدمة يمكن أن تحسن كثيرا فهم نوعي وكمي والتنبؤ بالاستقرار طويل الأجل للخلايا الشمسية والوحدات النمطية. في المستقبل، إعداد عرض ‘اختبارات الإجهاد المجمعة مع القياسات في الموقع ‘ (منظمة التضامن المسيحي الدولية) التي ستوضع لكامل نطاق وحدات: الأجهزة مع مناطق مضيئة من 40 سم × 40 سم و 100 سم × 100 سم صغيرة جداً للوحدات الفلطائية الضوئية ذات الحجم الكامل، لذا تعتزم زيادة ويجري حاليا نطاق هذا المفهوم قياس الإجهاد مجتمعة.
The authors have nothing to disclose.
المؤلف يود أن يشكر “ميرو زيمان” (جامعة دلفت للتكنولوجيا) وزغير فرون (TNO) لمناقشات مثمرة. كيو بييلير، هانز فنسنت، إيكاترينا لياكوبولو، مرتضوي سهيل، غابرييلا دي أموريم سواريس (جميع TNO)، فيليكس دوم (سولاريون)، وماري Buffière (IMEC) معترف بها لترسب العينة وتحليل ومناقشات طويلة. وعلاوة على ذلك، نود أن نشكر جميع العاملين من الشمس السرمدية، تيستيكويبمينت هييلكيما، وحلول مؤسسة التنظيم العقاري، وعلى وجه التحديد روبرت يان فإن فوجت، ألكسندر مولدر ويروين فينك لمساهمتهم.
أجريت هذه الدراسات تحت رقم المشروع M71.9.10401 في الإطار برنامج أبحاث المواد الابتكار معهد M2i، إيديجو TKI المشروع الثقة، المشروع أوبمات الكهروضوئية، بتمويل من برنامج التعاون عبر الحدود خامسا الأقاليمي فلاندرز–هولندا بدعم مالي من “الأموال الأوروبية” “التنمية الإقليمية” والبرنامج TNO ‘تكنولوجي زويكت أونديرنيمير’.
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 |