<em>In Situ</em> Monitoring of the Accelerated Performance Degradation of Solar Cells and Modules: A Case Study for Cu(In,Ga)Se<sub>2</sub> Solar Cells

Mirjam Theelen; Klaas Bakker; Henk Steijvers; Stefan Roest; Peter Hielkema; Nicolas Barreau; Erik Haverkamp

doi:10.3791/55897

JoVE Journal > Engineering

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Engenharia

就地太阳能电池和模块加速性能退化的监测: 铜 (in, Ga) Se₂太阳能电池的实例研究

Published: October 03, 2018

doi:

10.3791/55897

Mirjam Theelen¹, Klaas Bakker¹, Henk Steijvers¹, Stefan Roest², Peter Hielkema³, Nicolas Barreau⁴, Erik Haverkamp^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

设计并构造了两个 “现场测量” 组合应力测试, 使太阳能电池和模块的加速退化能够实时监测。这些设置允许同时使用湿度、温度、电气偏差和光照作为独立控制的应力因子。介绍了该装置的设置及各种实验结果。

Abstract

光伏发电系统的 levelized 成本 (LCOE) 是由光伏组件的可靠性等因素决定的。更好地预测降解机理, 防止模块场失效, 可降低投资风险, 提高发电产量。由于这些原因, 知识水平的提高会大大降低光伏发电的总成本。

为了更好地理解和最小化光伏组件的退化, 应确定发生的退化机制和条件。这种情况最好在组合应力下发生, 因为现场的模块也同时暴露于多种应力因素。为此, 设计并构造了两种 “原位测量” 组合应力测试装置。这些设置允许同时使用湿度、温度、光照和电气偏差作为独立控制的应力因子对太阳能电池和 minimodules。该设置还允许对这些样品的电性能进行实时监测。本协议介绍了这些设置并描述了实验的可能性。此外, 还提出了这些设置的结果: 各种例子的沉积和降解条件对薄膜铜 (在, Ga) Se₂ (CIGS) 和铜₂ZnSnSe₄ (CZTS) 稳定性的影响太阳能电池被描述。并对 CIGS 太阳能电池的温度依赖性进行了研究。

Introduction

光伏系统被认为是一种成本效益高的可再生能源形式。pv 模块代表了这些光伏系统的核心, 通常以25年以上的性能保证 (例如, 在这段时间后最大20% 的效率损失)¹进行销售。这对消费者和投资者的信任是至关重要的, 这些保证得到满足。因此, 电力产量应尽可能稳定和高, 至少在预期的模块寿命。这应通过减少缓慢但稳定的降级²和意外的过早模块故障来管理, 例如, 可能是由于生产错误而导致的。在该领域的观测模块故障的例子是潜在的退化 (PID)³和光诱导降解 (盖子)⁴的晶体硅模块或水诱发腐蚀的 CIGS 模块⁵^,⁶^,⁷^,⁸. 因此, 为了防止光伏组件的外地寿命减少, 应查明并尽量减少退化机制。

对光伏电池或模块中发生的降解机制的了解也有助于降低光伏组件的生产成本: 在许多情况下, 在模块中引入了抗环境应力保护材料, 以提供保证寿命。这是例如真正的柔性薄膜模块, 如 CIGS, 含有昂贵的屏障, 以防止水进入。此类模块中的所有封装材料都可以占模块成本的70%。这些保护材料往往是超尺寸的, 以便确定能够获得所需的寿命: 关于退化机制的更多知识可以使太阳能电池更加本质稳定, 更准确地预测。因此, 更好地了解该模块及其组成部分的长期稳定性, 可能会防止过度标注, 并允许降低这些防护材料的成本。

为了给出模块可靠性的一般估计, 目前已通过加速寿命试验 (ALT)⁹对太阳能电池和模块进行了测试和鉴定。最深刻的资格测试是由国际电工委员会 (IEC) 61215 测试¹⁰定义的, 它对 PV 模块的稳定性做出了 “不去” 的决定。然而, Osterwald等。¹¹透露, IEC 测试的一个积极结果并不总是表明光伏组件可以在25年或更多年的户外条件下站立。对于相对较新的薄膜模块¹², 现场和实验室测试的这种有限的相关性被证明是特别真实的。

这些测试不会对降解机制 (“哪些过程和/或哪些应力导致观察到的慢速模块退化或快速模块故障”) 产生洞察力。此外, 这些测试, 目前基于单或双应力因子 (例如机械应力, 或混合的温度和湿度), 当然不能以可靠的方式模拟现场行为, 因为在现场的 PV 模块受到众多复合应力 (例如: 温度、湿度、风、雪、光照、灰尘、沙子、水)。这些压力也可以变化的每个气候区域: 而在沙漠中, 温度和光照可能是重要的应力因素;在适度的气候条件下, 例如湿度的影响也很重要。为了模拟不同气候条件下的退化和随之而来的故障, 需要多种应力组合。因此, 同时接触多重应力对于在一定的气候条件下获得对模块可靠性的良好估计是非常重要的, 因此组合应力测试应成为实验室测试的一部分。

因此, 建议应改进对组合应力条件下发生的降解机制的定性和定量理解。理想情况下, 在这些测试中也应收集有关太阳能电池或模块的信息, 以便在暴露过程中识别设备的变化。因此, 我们设计和建造了两个设置, 允许同时暴露在湿度, (升高) 的温度, 电气偏差和照明。在这些设置中, 这些应力的严重性也可以根据实验的目标进行调整。此外, 照明允许现场监测光伏设备 (图 1)¹³^,¹⁴^,¹⁵^,¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^,¹⁹^,²⁰. 这些类型的测试将被命名为 “联合应力测试和原位测量” (CSI)。在本协议中, 将提出两种混合退化设置, 称为 “csi 1” 和 “csi 2″。为了提高对特别是薄膜 CIGS 太阳能电池性能和降解能力的认识, 许多研究都是用这些装置执行的。本文介绍了在无包装 CIGS 和 CZTS 太阳能电池上得到的稳定性和温度依赖性结果的选择。更多信息也可以在²¹^、²²中找到。

图 1: ‘ 联合应力测试与原位测量 ‘ 设置.左: CSI 设置的示意图概述, 包括测量系统。中右: CSI 设置的照片 (气候室加太阳模拟器, 测量系统没有描述, 设置有不同的大小)。中间是 CSI1, 右边是 CSI2。此数字已从¹⁹^、³⁰进行了修改。请单击此处查看此图的较大版本.

Protocol

注: 1 和3节专门用于 CIGS 和 CZTS 太阳能电池的降解测试, 但所有其他类型的太阳能电池 (如perovskites、有机光伏和晶体硅) 都是或将通过这些设置进行测试。应注意的是, 对于每种设备类型和几何, 应设计一个样品持有人。这些持有者应具有非腐蚀性的接触, 以防止接触退化, 因为这将掩盖设备退化的影响。此外, 建议在四点探头配置中与样品接触, 以防止测量系统中腐蚀的接触线或导线的检测结果。 1. CIGS 太阳能电池的制备在处理太阳能电池时, 在协议的所有步骤中使用手套: 对有毒元素进行保护, 同时防止在样品上沉积不需要的材料, 如厨房盐 (NaCl)。将1毫米 x 100 毫米 x 100 毫米苏打石灰 (SLG) 玻璃样品切成四100毫米 x 25 毫米矩形带, 用玻璃切割机或金刚石笔, 以准备适当的基板。将 SLG 样品放在溅射涂布机中。用直流 (DC) 溅射法将0.5 µm 厚钼回触点沉积在玻璃基板23上。从各种堆栈序列中进行选择, 包括单层、双层和多人堆栈。例如, 用高初始溅射压力 (例如0.03 毫巴) 沉积双层, 其次是较低的溅射压力 (如0.003 毫巴), 功率密度为1-5 瓦特/厘米2。准备1米氢氧化钠和0.3 米 K3Fe (CN)624的蚀刻溶液。电化学蚀刻6毫米的钼条, 以存放图案的背部接触。注: 用这种方式, 太阳能电池有一个明确的区域, 没有太阳能电池区域的黄金接触, 这可能仍然部分贡献的电气参数。将样品放在真空室中, 在铜、铟、镓和硒气氛25下, 通过一个 coevaporation 工艺沉积2µm 厚的 CIGS 吸收层。例如, 使用典型的衬底温度550到600°c, 并遵循三阶段的沉积过程, 首先形成 (在, Ga)2Se3由铟, 镓和硒的蒸发, 其次是形成一个铜丰富的 CIGS 由于增加了大量的铜。在第三阶段关闭铜蒸发器, 形成所需的铜贫 CIGS 吸收剂。或者, 在大气压下使用两级沉积来进行低成本的过程。通过真空溅射或常压电化学沉积进行 CuInGa 沉积。遵循这一硒化法在元素硒大气26在移动带硒化法烤箱。将样品放置在化学浴缸中, 用 “化学浴沉积” (CBD) 工艺将 CdS 缓冲物存入50毫微米27的厚度。通常使用 NH4OH, CdSO4, 硫脲 (nh2CSNH2) 的水基溶液, 温度为 ~ 70摄氏度. 将样品放置在溅射工具中, 并沉积 i-氧化锌/氧化锌: 用射频 (RF) 溅射法从 i-氧化锌和氧化锌中进行 al 前接触: 铝靶, 厚度分别为 50 nm 和 800-1, 000 nm28。对于 i-氧化锌使用一层纯氧化锌靶, 并使用 zno 陶瓷靶与 2% Al2O3为氧化锌: 铝层。在室温和200摄氏度之间使用沉积温度。避免在顶部电极上使用导电金属网格, 因为这在商用模块中不使用。因此, 使用这个相对厚的氧化锌: 铝层, 允许足够的电导率, 这些细胞模仿模块设计。小心地划掉一个14毫米 (在步骤1.4 中蚀刻的反面) 与一把刀的太阳电池的条纹。通过使用不同的层硬度, 只删除顶层 (氧化锌: 铝/i-氧化锌/CdS/CIGS), 并保持钼回接触完好。形成一个宽度为 5 mm 的太阳能电池, 类似于模块中单元格的宽度。将样品放置在金溅射工具中, 并将其覆盖在中间的条纹作为掩模, 这样就不会在太阳能电池上沉积黄金。在室温下, 在背面接触 (钼) 和前接触 (氧化锌: Al) 上沉积金接触 60 nm 厚度, 以允许接触细胞。注: 使用贵金属的接触, 使样品长期暴露在严酷的条件下, 不降解接触, 从而可以研究细胞降解。将带玻璃切割机或钻石笔的小条切成7毫米宽的样品, 现在有一个7毫米 x 5 毫米的细胞表面, 总尺寸为7毫米 x 25 毫米 (图 2)。注意:图 2显示了剖面的示意图表示以及单元格的显微图像。对于 CZTS 太阳能电池的实验, 采用了不同的活性吸收层 (CZTS) 的沉积过程 (类似于参考29), 而所有其它层均按照模拟程序沉积。图 2: CIGS 样品设计.顶cigs 样品的横断面的示意图表示法和 (底部) 从顶部抽取的 cigs 样品的显微镜图片。这个数字从参考14,30被部分地修改了。请单击此处查看此图的较大版本. 2. 退化前太阳能电池的分析测量在标准试验条件下太阳能电池的前电流电压 (IV) 性能 (STC, 照明: 1000 瓦特/平方米和 AM 1.5, 温度: 25°c) 在四点探头配置, 以确定电气参数与 IV测试仪。测量外部量子效率 (EQE) 为确切的电流密度和波长依赖性吸收30,31以光谱反应 (SR) 设置并且计算确切的电流密度。用较大的放大倍数记录照明锁定热成像 (ILIT) 映射31和光致发光 (PL) 映射31 , 并采取 (显微) 图像来识别任何视觉和侧面缺陷。将样品放在 ILIT 设备下, 用15µm 透镜进行高放大度和红外照明光源的热探测器。照亮样品, 记录温度的空间差异, 确定加热位置。将样本放置在映射 PL 设置下以获得空间光致发光图像。使用高功率 LED 光源照明和 CCD 摄像机进行数据检测。注: 示例可在参考15、16、20、30中找到。为降解实验选择一些太阳能电池, 同时将其余的样品放在氩 glovebox 中作为参考。选择一组混合的太阳能电池作为参考, 并作为实验样本, 因此, 在完整的幻灯片 (如构图中的梯度) 的任何差异都与实验和参考样品中的严重性相同。注: 这可能意味着, 在幻灯片上有位置1、3、4、5、7和8的单元格是实验单元, 而位置2和6是引用单元格。 3. 太阳能电池在样品持有者中的位置将太阳能电池放在不投射任何阴影的样品持有者身上, 并在黄金正面和背部接触点和测量销之间进行接触。注: 样品持有人是专门设计, 以抵御恶劣的条件, 在气候试验。此外, 它们是由只有有限的出气的材料构成的。将样本持有者放在 CSI 设置内的样品架上, 从而允许太阳能电池和安装外部的测量工具之间的电接触。把样品架放在专用的位置上, 它将被一个 AM 1.5 光源照亮。注: 光源规格如下。CSI1:40 厘米 x 40 厘米面积, 1000 瓦特/米2, 咩校准照明;CSI2: 100 x 100 厘米2区域, 1000 瓦特/米2, AAA 校准照明, 校准根据 IEC60904-9:200732。 4. 降解实验的执行打开太阳模拟器、测量设备、气候室和计算机。计划测量计算机, 控制太阳模拟器, 电子偏差和气候室设置。定义测试软件中测量的电压范围、电压步骤、测量顺序和时间, 并定义软件中的温度、湿度、偏置电压和光照剖面。注: 在整个实验过程中, 让这个软件引导测量。对于 IV 测量的典型设置, 在120步 (0.01 v/步骤) 中使用电压在范围-0.2 v 到 +1.0 v 之间。注意, 在大多数情况下, 系统在所有样本的 IV 测量和停顿约5分钟之间交替。在设置中稳定气候室和太阳能电池的温度。观察软件中的采样温度。注: 太阳能电池的典型温度为25摄氏度, 即 STC 温度。由于光照加热样品, 样品温度总是高于周围的房间。气候房间的典型的开始的温度是-10 °c 到 +5 °c (+ 5 °c 房间温度可能例如导致 CIGS 样品温度25°c)。如果选择了其他样品设计或组合物, 则可以要求其他室内温度达到摄氏25摄氏度的样品温度。慢慢地加热气候室直到它到达85°c, 例如在 0.1-0.3 °c/分钟. 从气候室计算机读取室温度, 并从软件中读取样本温度。注: 典型样品温度在100°c 和110°c 之间, 当房间是85°c 时。这些值在样品之间是不同的, 并且特别受基体类型、样品持有者设计和材料以及太阳能电池本身的影响。在这个阶段, 细胞是在开路条件, 当他们没有测量, 除非提到不同。如果在加热阶段的任何内部电压偏差的影响必须排除, 照明也可以在这个阶段关闭。对于 CSI1, 将单个热电偶连接到各个单元以测量其温度, 而在 CSI2 中使用15热电偶进行32样品。记录并记下各自的温度。在加热过程中, 自动测量太阳能电池的电流电压曲线, 这意味着它们每隔0.5 分钟就会被确定, 这取决于样品的数量。观察软件中的电气参数。计算电流电压曲线的电气参数。始终确定效率、开路电压、短路电流密度、填充系数、串联电阻和分流电阻。确定当前电压曲线末端的斜坡的阻力。如果需要, 还要确定理想因素, 饱和电流密度, 和照片电流密度的配合与一二极管模型14。注意: 但是, 请注意, 这些拟合程序对于不像理想二极管那样的退化太阳能电池来说是相对不可靠的。这些高温测量的效率将低于 STC, 这在开路电压13的减少中主要可见。在气候室打开湿度, 标准设置是相对湿度 (RH) 的85%。这通常是实验的出发点 (t = 0 h)。从气候室计算机观察 RH。注: 实际样品相对湿度低于设定值。这是由于样品温度高于85摄氏度, 而绝对湿度是相同的: 由于相对湿度是温度的函数, 这个值低于 85% RH33。在检测电流电压曲线时, 将样品留在 CSI 设置中100s 到1,000s 小时。每5到10分钟测量曲线, 但根据需要变化。观察软件中的电气参数。在剩余的时间, 保持样品在开路情况下 (标准情况) 或安置他们在各种各样的电子偏差之下以电装载, 从-20 V 到 +20 v。在实验过程中需要对电气偏差进行修改时, 在示踪软件中更改设置值。注: “标准” 设置是最大功率点 (MPP) 条件 (太阳能电池的操作电压和电流)、短路条件和有限负电压条件。使用后者模拟部分模块底纹。要在不同的曝光时间后了解更多样品, 请从安装程序中删除样本持有者的数量有限的样本。在光照和快速的方式下执行此项, 以尽量减少对剩余样品的影响。这是自然只可能为小样品。实验结束后, 在几个小时内将房间温度慢慢降温, 并将样品与样品夹一起取出。观察气候室计算机的温度。注: 也可以使用其他光强度 (例如, 800 瓦特/米2或紫外线), 而湿度和温度自然也会变化。在这种情况下, 所获得的电气参数应纠正不同的光强度。据观察, 当 CIGS 太阳能电池短期 (如15 分钟) 未亮起 (并由光照源加热) 时, 电气参数发生意外变化。如果这一效果不是研究的目的, 建议在照明上继续保持14。 5. 退化和参考细胞分析在退化设置中, 将电气参数的发展作为曝光时间的函数进行绘制。在样品从装置中取出后, 直接对退化太阳能电池进行原位IV 测量, 以获得 STC 电气参数。重复外部量子效率测量的精确电流密度和波长依赖性吸收。再次记录照明锁定在热成像映射和光致发光映射, 并采取 (显微) 图片, 以确定任何变化的视觉和侧面缺陷。使用与降级前相同的设置。使用其他分析技术, 如 (横断面) 扫描电子显微镜-能量色散 X 射线光谱学 (SEM-EDX)31, x 射线衍射 (XRD)31, 二次离子质谱 (西姆斯)31和温度依赖电流电压 (IV (T))31以进一步识别故障机制。对退化和参考样品执行这些破坏性分析, 以观察在 CSI 设置中暴露的变化。 6. 退化机制和模式的定义将所有数据结合起来, 定义退化机制及其对太阳能电池或模块的长期稳定性的影响。

Representative Results

CSI 的设置已经用于广泛的实验。实验的重点是对细胞或模块组成和设计的影响, 以及对降解条件的影响。以下数字显示了电气参数发展的一些例子。图3、图 5、图 6和图 7 中的测量是在 CSI1 中拍摄的,图 4是在 CSI2 中获得的。在这些数字中, 它被选择描述设备效率, 开路电压, 或并联电阻, 但其他参数也可以自然地绘制。图 3和图 4显示了降解条件对无湿度屏障或任何其它包装材料的富碱 CIGS 太阳能电池稳定性的影响。图 3显示这些细胞在暴露于光照、热量和湿度时会降解, 而在没有湿度的情况下它们几乎是稳定的。这表明, 这些太阳能电池或模拟模块可能是完全稳定的, 当包装与湿度15。潜在的包装材料自然包括玻璃, 但也灵活的壁垒, 这往往是基于有机-无机多栈15。在未来的实验中, 这些可能性也将被测试。这些结果也表明, 这种包装材料可能是不必要的炎热和干燥的气候。图 4显示了当暴露于潮湿的热量外加光照时偏压的影响: 这些初步结果表明, 低负电压 (-0.5 V, 灰色曲线) 对稳定性的影响比短路、开路、和 MPP 条件18。图 3: 湿度对 CIGS 电池稳定性的影响.开发的无包装 CIGS 太阳能电池作为一个功能的曝光时间的照明加上干热 (红色) 和湿热 (蓝色) 采取在高温。每条线代表一个太阳能电池。此数字已从参考15修改。请单击此处查看此图的较大版本. 图 4: 电负荷对 CIGS 电池稳定性的影响.无包装细胞作为时间在各种电压下的作用以及湿热和光照的效率的演化。灰色、蓝色、绿色和红色曲线分别表示暴露于-0.5 v、0 v、v.MPP和开路条件。这些参数是在高温下获得的, 而室温效率约为50% 以上。每条线代表一个太阳能电池。此数字已从参考18修改。请单击此处查看此图的较大版本. 由于加热阶段的缓慢加热 (0.1-0.3 °c/分钟) 和实时测量, 这些设置也自动允许确定太阳能电池的温度依赖性。图 5显示了在退化实验前从加热曲线获得的开路电压的依赖性。该图表明, 不同的 CIGS 太阳能电池的开路电压 (Voc) 温度依赖性存在差异, 而其他参数如串联电阻和短路电流 (未描述) 显示更大细胞之间的差异。其他参数的开发可以在参考文献34中找到。图 5: CIGS 太阳能电池的温度依赖性.两个无封装 CIGS 太阳能电池的开路电压 (Voc) 的温度依赖性。颜色表明不同的太阳能电池设计: 蓝色正方形代表样品与细胞设计和沉积过程如上文所述。红色圆圈表示在聚酰亚胺箔上的非封装 CIGS 太阳能电池, 其吸收剂沉积于离子束辅助 coevaporation。每条线代表一个太阳能电池。此数字已从参考34修改。请单击此处查看此图的较大版本. 图 6显示太阳能电池组成的细微差别会对器件的稳定性产生很大影响。实验表明, 含有大量钠和钾的富含碱的样品具有较高的初始效率, 但其降解速度也较快。另一方面, 也产生了几乎稳定的无包装太阳能电池, 仅含有少量的碱元素 (“碱贫” 样品)。因此, 这些太阳能电池几乎本质上是稳定的, 不需要任何保护材料。在此基础上, 结合原位分析结果, 确定了这些样品的主要降解机理: 研究表明, 富碱样品效率损失的主要驱动力是大幅度降低分流电阻16。对这些细胞的性质进行深入分析, 显示出碱元素的迁移, 特别是钠, 似乎导致了这种下降。更多信息载于参考资料16,20。本研究的后期目的是开发具有碱贫试样稳定性的太阳能电池, 以及富碱样品的初始效率高。图 6: 碱含量对 CIGS 电池稳定性的影响.两类无包装 CIGS 太阳能电池的效率 (左) 和分流电阻 (右) 的演化, 暴露于湿热外加光照下。粉红色和紫色的线条代表了碱差的样品, 而蓝线代表了富含碱的样品。这些值是在高温下获得的, 而室温效率是30-80% 以上。每条线代表一个太阳能电池。此数字已从参考16修改。请单击此处查看此图的较大版本. 最后一个例子集中于各种 CZTS 样本19。图 7显示了不同类型的无包装太阳能电池在湿热加光照下表现出不同的 IV 行为。应该指出的是, 这些细胞不是理想的太阳能电池, 因此, 在这个数字中显示的效率和电压的提高可能不代表 CZTS 太阳能电池一般, 并没有解释可以提供这种行为。更多的研究需要执行, 以提供可靠的声明, 这些细胞的稳定性。图 7: CZTS 太阳能电池暴露于潮湿的热量外加光照.四种非优化无包装 CZTS 太阳能电池的归一化开路电压和效率的演化作为时间的函数, 暴露于潮湿的热量外加在高温下的光照。每种颜色都描绘了不同类型的 CZTS 太阳能电池。每条线代表一个太阳能电池。此数字已从参考19修改。请单击此处查看此图的较大版本.

Discussion

设计并构造了两种用于实时监测太阳能电池和模块电气参数的 CSI 设置。这些设置允许同时暴露在潮湿的热量, 照明和电气偏差, 同时也在原位确定的 IV 参数的光伏设备。这些设置被用来研究环境应力 (湿度、光照、电偏差和温度) 以及细胞或模块组成对无包装太阳能电池的长期稳定性的影响。图 3、图 4、图 5、图 6和图 7显示了通过这些设置获得的结果的选择。

稳定结果 (图 3、图 4、图 6和图 7) 从所提出的研究中应始终谨慎对待: 为了使这些研究的翻译成为模块稳定性, 所有的约束对光伏器件稳定性的加速寿命试验 (包括本研究) 应予以考虑。这些制约因素是由于实验室的条件是为了快速确定退化机制, 而某些退化机制可能由于选择了错误的 (严重的) 压力而无法找到。此外, 所选择的条件也可能导致退化机制和随后发生的失败, 在该领域没有出现或发生在预测的时间框架之前或之后的领域。当例如为潮湿的热情况 (85 °c 或 85% RH), 加速度因素219被假设, 参考²⁵表明这个率经常是非线性的, 并且可能变化在 CIGS 模块在10和1000之间, 并且为不同的退化机制。

为了估计所提出结果的有效性, 应考虑场模块暴露与所提出实验之间最重要的区别:

使用的实验室条件比田间条件更严重, 这是加速试验的内在要求。此外, 这些实验的条件大多是恒定的, 而在该领域的模块将暴露在不断变化的条件。

在所提出的实验中, 使用了非包装太阳能电池。自然, 阻隔材料和边缘密封剂将在设备稳定性 (特别是在潮湿条件下) 发挥重要作用。此外, 互连和封装材料的影响也非常重要, 不容忽视。当然, 在这些设置中也可能有封装和互联的迷你模块的实验。

由于光照的缘故,图 3、图 5、图 6所示的实验和图 7是在未记录 IV 曲线时在开路条件下执行的。但是, 模块应在 MPP 条件下运行, 而单元格也可以在部分模块隐藏情况下暴露在反向偏置条件下。图 4显示了在这个特定的实验中, 在 MPP 和开路条件之间只有有限的差别, 但对于其他细胞或条件来说可能是不同的。

CIGS 太阳能电池的组成对长期稳定有很大的影响。关于构成对稳定性影响的研究实例可在参考资料¹⁶^,²⁰中找到。由于太阳电池堆中许多小修改的影响的确切性质尚未确定, 降解可能会比预期的更快或更慢。

上述因素表明, 大量的加速寿命研究, 在退化条件和样本组成的变化, 以真正预测模块的现场性能。此外, 这些结果应与实地研究相结合, 以全面了解光伏组件的长期稳定性。

然而, 我们建议, 本研究中提出的设置与标准 IEC 测试相比, 由于应力暴露和原位监测的结合, 大大改进。这些特性大大提高了加速寿命实验的预测值, 提高了对降解机理的认识。与 “标准” (如IEC 61215) 测试相比, 四主要优点是以下功能:

a. 在接触到复合应力 (即温度、湿度、光照和电气偏差) 下进行测试。

b. 调整组合应力以模拟当地气候 (如沙漠或极地条件)。

c. 调整电子偏差,例如, 模拟部分底纹的效果。

d. 实时监测设备性能, 允许更简单、更快的测试, 以及更好地预测或限制退化机制, 因为知识水平的提高。

e. 减少了测试时间, 因为在发生故障后可以直接停止测试, 而不是在定义的测试周期之后 (例如, 1000 小时)。

因此, 提出的寿命研究与提出的设置可以大大提高质量和数量的理解和预测的长期稳定的太阳能电池和模块。在未来, 将开发一个为全尺寸模块提供 “现场测量的联合应力测试” (CSI) 的设置: 具有40厘米 x 40 厘米和100厘米 x 100 厘米的照明区域的安装太小, 无法用于完全大小的 PV 模块, 因此计划增加这一综合应力测量概念的规模正在进行中。

Declarações

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

作者要感谢米洛泽曼 (德尔福特理工大学) 和 Zeger Vroon (TNO) 进行卓有成效的讨论。Beyeler、文森特、叶卡捷琳娜 Liakopoulou、Soheyl Mortazavi、(所有 TNO)、费利克斯 Daume (Solarion) 和玛丽 Buffière (IMEC) 都被确认为样品的沉积和分析以及长时间的讨论。此外, 我们要感谢所有的员工从永恒的太阳, Hielkema Testequipment, ReRa 解决方案, 特别是罗伯特1月面包车伍格特, 亚历山大穆德和杨鲁温克为他们的贡献。

这些研究是在项目编号 M71.9.10401 的框架内进行的材料创新研究所 M2i, TKI IDEEGO 项目信托, 项目 PV OpMaat, 由跨境合作计划资助区域间 V富兰德-荷兰在欧洲区域发展基金和 TNO ‘ créative zoekt Ondernemer 项目的财政支持下。

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

Referências

Jordan, D., Kurtz, S., VanSant, K., Newmiller, J. Compendium of Photovoltaic degradation rates. Prog. Photovolt. 24 (7), 978-989 (2016).
Pingel, S., et al. Potential induced degradation of solar cells and panels. Proc. 35th IEEE PVSC. , 2817-2822 (2010).
Lindroos, J., Savin, H. Review of light-induced degradation in crystalline silicon solar cells. Sol. Energ. Mat. Cells. 147, 115-126 (2016).
Theelen, M., Daume, F. Stability of Cu(In,Ga)Se2 solar cells: A literature review. Solar Energy. 133, 586-627 (2016).
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).
Wennerberg, J., Kessler, J., Stolt, L. Degradation mechanisms of Cu(In,Ga)Se2-based thin film PV modules. Proc. 16th EUPVSEC. , 309-312 (2000).
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).
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).
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)
Osterwald, C., McMahon, T. History of Accelerated and Qualification Testing of Terrestrial Photovoltaic Modules: A Literature Review. Prog. Photovolt. 17, 11-33 (2009).
Carlsson, T., Brinkman, A. Identification of degradation mechanisms in field-tested CdTe modules. Prog. Photovolt. 14, 213-224 (2006).
Jordan, D., Kurtz, S., VanSant, K., Newmiller, J. Compendium of photovoltaic degradation rates. Prog. Photovolt. 24, 978-989 (2016).
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).
Theelen, M., et al. Accelerated performance degradation of CIGS solar cell determined by in situ monitoring. Proc. SPIE 9179. , (2014).
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).
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).
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).
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).
Theelen, M., et al. In situ monitoring of the accelerated performance degradation of thin film solar cells. Proc. 42th IEEE PVSC. , 1-6 (2015).
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).
. In situ monitoring of the degradation of CIGS solar cells Available from: https://www.youtube.com/watch?v=Zmy5tb-2NK8 (2017)
. Hybrid degradation testing of solar cells and modules Available from: https://www.youtube.com/watch?v=tEsvkTco-To (2017)
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).
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).
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).
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).
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).
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).
Brammertz, G., et al. Characterization of defects in 9.7% efficient Cu2ZnSnSe4-CdS-ZnO solar cells. Appl. Phys. Lett. 103 (16), 163904 (2013).
Theelen, M. Degradation of CIGS solar cells. Ipskamp Drukkers. , (2015).
Abou-Ras, D., Kirchartz, T., Rau, U. . Advanced Characterization Techniques for Thin Film Solar Cells. , (2011).
Wolhgemuth, J. Standards for PV Modules and Components – Recent Developments and Challenges. Proc. 27th EUPVSEC. , 2976-2980 (2012).
Theelen, M., et al. Temperature Dependency of CIGS solar cells on soda lime glass and polyimide: a comparison. JRSE. , (2016).
Coyle, D. Life prediction for CIGS solar modules part 1: modelling moisture ingress and degradation. Prog. Photovolt. 21 (2), 156-172 (2013).

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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).