제자리에서 태양 전지 및 모듈의 가속된 성능 저하의 모니터링: Cu (In, Ga) Se₂ 태양 전지에 대 한 사례 연구

참고: 섹션 1과 3은 CIGS의 저하는 테스트용 되며이 절차, 하지만 다른 모든 종류의 (예를 들어, perovskites, 유기 태양광 발전, 그리고 결정 실리콘) 태양 전지를 통해 CZTS 태양 전지 또는 이러한 설정으로 테스트 될 것입니다. 그것은 그 모든 장치 유형 및 형상에 대 한 샘플 홀더 설계 해야 주목 해야한다. 이 홀더 비 침식 연락처 장치 저하의 효과 애매 한 것이 이후 연락처 저하를 방지 하기 위해 있어야 합니다. 또한, 측정 시스템에서 부식된 연락처 또는 전선의 결과의 측정을 방지 하기 위해 4 포인트 프로브 구성에서 샘플을 문의 하는 것이 좋습니다. 1입니다. 준비의 CIGS 태양 전지 태양 전지를 취급할 때 장갑을 프로토콜의 모든 단계에서 사용: 유해 요소에 대 한 보호 하지만 또한 부엌 소금 (NaCl), 샘플 같은 원치 않는 물질의 증 착을 방지. 잘라는 1 mm x 100 mm x 100 mm (SLG) 소 다 라임 유리 샘플 4 100 m m x 25 m m 사각형 스트립 유리 커터 또는 다이아몬드 펜으로 적절 한 기판 준비 하기. 스퍼터 coater에서 SLG 샘플을 놓습니다. 0.5 µ m 두꺼운 리브 직류 (DC) 유리 기판23에 실 온에서 스퍼터 링에 의해 다시 연락처를 입금. 단일 레이어, 멀티 스택, bilayer, 등 다양 한 스택 순서에서 선택 하십시오. 예를 들어 높은 초기와 bilayer 입금 낮은 스퍼터 링 압력 (예, 0.003 mbar) 1-5 W/c m2의 전력 밀도에 의해 따라 스퍼터 링 압력 (예, 0.03 mbar). 1 M NaOH와 0.3 M K3Fe(CN)624의 etch 솔루션을 준비 합니다. 화학적 에칭 패턴된 다시 연락 보증금을 몰 리브 덴의 6 m m 스트라이프.참고:이 방식 태양 전지는 잘 정의 된 영역, 태양 전지 분야 전기 매개 변수를 여전히 일부 기여할 수 있습니다 골드 연락처 적용 없이. 진공 챔버에 샘플을 놓고 구리, 인듐, 갈륨, 그리고 셀레늄 분위기25아래 coevaporation 프로세스에 의해 2 µ m 두꺼운 CIGS 흡수 층을 입금 합니다. 예를 들어 550 ~ 600 ° C의 전형적인 기판 온도 사용 하 고 인듐, 갈륨, 셀레늄, 때문에 구리 풍부한 CIGS의 형성에 의해 다음의 증발에 의해 증 착 3 단계 프로세스, 첫 번째 (In, Ga) 형성2Se3 에 따라 구리의 대량 추가입니다. 세 번째 단계에 필요한 구리-가난한 CIGS 흡수를 구리 증발 기를 해제 합니다. 또는 낮은 비용 프로세스에 대 한 대기압에서 2 단 증 착을 사용 합니다. CuInGa 증 착, 진공 스퍼터 링 하거나 대기압 화학 증 착을 수행 합니다. 움직이는 벨트 selenization 오븐에 원소 셀레늄 분위기26 에서 selenization에 의해 이것을 따르십시오. 화학 목욕에서 샘플을 놓고 “목욕 화학 증 착” Cd 버퍼 입금 50 nm27의 두께 (CBD) 과정. 온도에서 NH4오, CdSO4및 thiourea (NH2CSNH2)의 물 기반 솔루션을 사용 하 여 일반적으로 ~ 70° c. 스퍼터 링 도구 샘플 놓고 입금 i-ZnO / ZnO:Al 전면 접촉 무선 주파수 (RF)에 의해 i-ZnO 및 각각 50 nm와 800-1000 nm28의 두께와 ZnO:Al 대상에서 스퍼터 링. I-ZnO 사용 순수 ZnO 대상 레이어 및 ZnO 세라믹을 사용 하 여 대상을 2 %ZnO:Al 계층에 대 한 Al2O3 . 증 착 온도가 실내 온도 200 ° C 사이 사용 하 여 이 상업적인 모듈에 사용 되는 최고 전극에 전도성 금속 격자의 사용을 하지 않습니다. 따라서,이 상대적으로 두꺼운 ZnO:Al 계층을 사용 하 여 모듈 디자인 모방이 세포에 충분 한 전도도 허용. 신중 하 게 멀리 칼으로 태양 전지 (단계 1.4에서에서 에칭의 반대편)에서 14 mm의 줄무늬 스크래치. 층의 경도 차이의 사용, 상위 레이어를 제거 하 여 (ZnO:Al / i-ZnO/CdS/CIGS)는 몰 리브 덴 다시 연락처 그대로 두고. 태양 전지 모듈에서 셀의 너비와 비슷한 5 mm의 폭을 형성 합니다. 골드 스퍼터 링 도구에 샘플을 놓고 아무 골드 태양 전지에 입금 됩니다 있도록 마스크로, 중간에 줄을 커버 합니다. 예금의 골드 연락처 ~ 셀의 연락 수 있도록 다시 연락 (몰 리브 덴)에 전면 접촉 (ZnO:Al) 실 온에서 스퍼터 링 하 여 60 nm 두께.참고: 고귀한 금속의 연락처를 사용 하 여 셀 저하 공부 될 수 있다 그래야, 연락처의 저하 없이 가혹한 조건 샘플의 긴 기간 노출을 수 있습니다. 7 m m 넓은 샘플에 유리 커터 또는 다이아몬드 펜 스트립 잘라, 이제는의 세포 표면 ~ 7 m m x 5 m m와 7 x 25 mm (그림 2)의 전체 크기.참고: 횡단면의 도식 표현 뿐만 아니라 셀의 현미경 사진을 그림 2에 표시 됩니다. CZTS 태양 전지로 실험에 대 한 활성 흡수 레이어 (CZTS)의 다른 증 착 절차 미행 당하고 있다 (참조29와 유사), 다른 모든 레이어는 아날로그 절차에 따라 입금 했다 하는 동안. 그림 2 : CIGS 샘플 디자인. (맨 위) CIGS 샘플 및 위에서 촬영 하는 (아래)는 CIGS의 현미경 사진 샘플의 횡단면의 도식 적인 표현입니다. 이 그림은 참조14,30에서 부분적으로 수정 되었습니다. 이 그림의 더 큰 버전을 보려면 여기를 클릭 하십시오. 2. 저하 하기 전에 태양 전지 분석 원래의 전 현재 전압 (IV)의 성능을 측정 표준 테스트 조건 하에서 태양 전지 (STC, 조명: 1000 W/m ²와 오전 1.5, 온도: 25 ° C) 4와 전기 매개 변수를 결정 하는 4 포인트 프로브 구성에 테스터입니다. 정확한 전류 밀도 파장 의존 흡수30,31 스펙트럼 응답 (SR) 설치에 대 한 외부 양자 효율 (EQE)를 측정 하 고 정확한 전류 밀도 계산. 조명된 잠금 thermography (ILIT) 매핑31 및 photoluminescence (PL) 매핑31 큰 확대와 함께 기록 하 고 어떤 시각과 측면 결함 식별 하려면 (현미경) 이미지를 받아. 높은 배율 및 IR 조명 소스에 대 한 15 µ m 렌즈와 열 감지기 ILIT 장치에서 샘플을 놓습니다. 샘플을 밝히는 고가 열된 위치를 식별 하는 온도에 공간적 차이 기록 합니다. 공간 photoluminescence 이미지를 매핑 PL 설정 아래 샘플을 놓습니다. 조명 및 데이터 검색을 위한 CCD 카메라에 대 한 높은 전원 LED 광원을 사용 합니다.참고: 예제 참조15,,1620,30에서 찾을 수 있습니다. 참고로 아르곤 글러브에서 샘플의 나머지 부분을 배치 하는 동안 저하 실험에 대 한 태양 전지 수를 선택 합니다. 참고로, 실험 샘플으로 태양 전지 혼합된 세트를 선택, 그래서 전체 슬라이드 (예: 구성에 그라디언트) 내에서 어떤 다름 든 지 동일한 심각도에 실험 및 참조 샘플에 존재.참고:이 예 의미는 위치 1, 3, 4, 5, 7, 8 슬라이드에 세포는 실험 세포 위치 2와 6는 참조 셀. 3. 태양 전지 샘플 홀더를 배치 샘플 셀에 어떤 그림자와 게 홀더 문의 골드 전면 및 후면 연락처 및 측정 핀 사이에서 태양 전지를 넣습니다.참고: 샘플 홀더 특별히 기후 테스트 동안 가혹한 조건에 견딜 수 있도록 설계 되었습니다. 또한, 그들은 outgassing만 제한 된 물자의 건설 한다. 시료 홀더에 놓습니다 CSI 설치 내부 샘플 랙 설치 외부 측정 도구와 태양 전지 사이 전기 접촉을 허용 하는. 어디 그것 AM 1.5 빛에 의해 조명 될 것입니다 전용된 위치에 샘플 랙 배치 소스.참고: 광원 규격은 다음과 같습니다. CSI1: 40 cm x 40 cm 지역, 1000 W/m2보정 BAA 조명; CSI2: 100 x 100 cm2 영역, 1000 W/m2, AAA 보정 조명, IEC60904에 따르면 교정-9:200732. 4입니다. 저하 실험의 실행 솔 라 시뮬레이터, 측정 장비, 기후 챔버, 그리고 컴퓨터에 전환 합니다. 솔 라 시뮬레이터, 전기 편견, 및 기후 챔버 설정 제어 측정 컴퓨터 프로그램. 전압 범위, 전압 단계, 측정 순서, 및 IV 측정 소프트웨어에서 측정 사이의 시간을 정의 하 고 소프트웨어에서 온도, 습도, 바이어스 전압 및 조명 프로필을 정의.참고:이 소프트웨어는 전체 실험 동안 측정을 조종 하자. 4 측정에 대 한 일반적인 설정 범위-0.2 V 1.0 V 120 단계 (0.01 V/단계)에 전압을 사용 합니다. 참고 대부분의 경우, 시스템 모든 샘플의 IV 측정 및 약 5 분의 일시 정지 사이 교체. 기후 챔버의 설정에서 태양 전지 온도 안정화 합니다. 소프트웨어에서 샘플 온도 관찰 합니다.참고: 태양 전지에 대 한 일반적인 온도 25 ° C, STC 온도. 조명 샘플이 열, 샘플 온도 이므로 항상 주변 챔버 보다. 기후 챔버의 전형적인 시작 온도-10 ° C ~ + 5 ° C (+ 5 ° C 챔버 온도 CIGS 샘플 온도 25 ° C의 이어질 예 수). 다른 샘플 디자인 또는 구성을 선택 하는 경우 다른 챔버 온도 25 ° C 샘플 온도를 해야 수 있습니다. 예를 들어 0.1-0.3에서 85 ° C를 도달할 때까지 천천히 기후 챔버 열 ° C/분 챔버 온도 기후 챔버 컴퓨터에서 읽었고 소프트웨어에서 샘플 온도 읽고.참고: 일반적인 샘플 온도 110 ° C와 100 ° C 사이 때 챔버는 85 ° C 이다. 이러한 값 샘플, 사이 변화 하 고 특히 기판 유형, 샘플 홀더 디자인 및 소재, 태양 전지 자체에 의해 영향을 받습니다. 이 단계는 세포는 개방 회로 조건에서 측정 되지 때 다르게 언급 하지 않는 한. 난방 단계 어떤 내부 전압 바이어스의 영향 제외할 경우, 조명이이 단계 동안에 떨어져도 될 수 있습니다. CSI1, CSI2 32 샘플에 대 한 15 열전쌍을 사용에 (서) 동안 그들의 온도 측정 하는 모든 개별 셀에는 개별 열전대를 연결 합니다. 기록 하 고 개별 온도 기록. 자동으로 난방, 그들은 즉 결정 모든 0.5 샘플 수에 따라 몇 분 동안 태양 전지 한 명씩의 현재 전압 곡선을 측정 합니다. 소프트웨어에는 전기 매개 변수를 확인 합니다. 현재 전압 곡선에서 전기 매개 변수를 계산 합니다. 항상 결정 효율성, 개방 회로 전압, 단락 전류 밀도, 채우기 비율, 직렬 저항, 고 저항 션트. 현재 전압 곡선의 끝에 슬로프에서 저항을 결정 합니다. 필요한 경우, 또한 결정 관념 요소, 포화 전류 밀도, 그리고 사진 전류 밀도 1 다이오드 모델14피팅 하 여.참고: 그러나, 이러한 피팅 절차는 대 한 상대적으로 신뢰할 수는 이상적인 다이오드 처럼 동작 하지 않는 태양 전지 저하. 이러한 높은 온도 의해 측정 된 효율성 STC, 아래 보다 낮은 주로13의 개방 회로 전압 있는 감소에서 볼 수 있을 것입니다. 기후 챔버에 습도 설정, 표준 설정 85%의 상대 습도 (RH). 이것은 일반적으로 실험의 시작 지점 (t = 0 h). 기후 챔버 컴퓨터에서 RH를 관찰 합니다.참고: 실제 샘플 상대 습도 설정된 값 보다 낮습니다. 이것은 샘플 온도 85 ° C 보다 더 높은 절대 습도 같은 사실에 의해 발생 하는:이 값은 85% RH33보다 낮은 상대 습도 온도 이기 때문에. CSI 설정 100s을의 1, 000s 현재 전압 곡선을 측정 하는 동안 시간에 대 한 샘플을 둡니다. 측정 커브 마다 5 ~ 10 분 하지만이 수요에 다. 소프트웨어에는 전기 매개 변수를 확인 합니다. 남은 시간에 개방 회로 상태 (표준 상태) 아래 샘플을 유지 하거나 20 V-V 20에서 다양 한 전기 부하의 사용으로 다양 한 전기 편견에서 그들을 놓습니다. 실험 기간 동안 전기 바이어스의 수정이 필요한 경우 추적 소프트웨어에서 설정된 값을 변경 합니다.참고: ‘표준’ 설정은 최대 파워 포인트 (MPP) 조건 (동작 전압 및 전류는 태양 전지), 단락 회로 조건 및 제한 된 부정적인 전압 조건입니다. 후자를 사용 하 여 부분 모듈 음영을 시뮬레이션. 자세한 예제에 대 한 다양 한 노출 시간 후, 다른 사람을 전에 설치에서 사용 샘플 홀더에 제한 된 수의 샘플을 제거 합니다. 나머지 샘플에 영향을 최소화 하기 위해이 조명 아래와 매우 빠른 방식에서를 실행 합니다. 이것은 자연스럽 게 작은 샘플에 대 한 수 만입니다. 실험의 끝에, 몇 시간에 천천히 실내 온도 아래로 챔버를 냉각 하 고 그들의 샘플 홀더 함께 샘플을 제거 합니다. 기후 챔버 컴퓨터에서 온도 관찰 합니다.참고: 그것은 또한 습도 동안예를 들어, 800 W/m2 (자외선), 다른 가벼운 강렬을 사용 하 고 온도 자연스럽 게 또한 변화 될 수 있습니다. 이 경우, 얻은 전기 매개 변수 다른 빛의 강도 대 한 수정 한다. 그것은 전기 매개 변수에 예기치 않은 변경이 발생 CIGS 태양 전지 곧 때 관찰 되었다 (예를 들어, 15 분) 조명 (없고 조명 소스에 의해). 이 효과 연구의 목적은 아니다, 것이 좋습니다 조명에 지속적으로14. 5. 분석의 타락 하 고 셀 참조 노출 시간 저하 설정 기능으로 전기 매개 변수의 개발을 플롯 합니다. 샘플 STC에서 전기 매개 변수를 설정에서 제거 된 후 직접 저하 태양 전지 라 예 4 측정을 반복 합니다. 정확한 전류 밀도 파장-종속 흡수에 대 한 외부 양자 효율 측정을 반복 합니다. 조명된 잠금 thermography 매핑 및 photoluminescence 매핑, 다시 기록 하 고 시각 및 측면 결함에 어떤 변화 든 지 식별 (현미경) 사진의 찍을. 동일한 설정을 사용 하 여 저하 하기 전에. (횡단면) 스캐닝 전자 현미경-에너지 흩어진 엑스레이 분광학 (SEM-EDX)31, x 선 회절 (XRD)31, 2 차 이온 질량 분광학 (심즈)31, 온도 같은 다른 분석 기법을 사용 하 여 종속 전류 전압 (IV(T))31 실패 메커니즘 식별. 저하에 이러한 파괴적인 분석을 실행 하 고 노출 CSI 설정에 따른 변화를 관찰 하는 샘플을 참조. 6. 열화 메커니즘 및 모드의 정의 태양 전지 모듈의 장기 안정성에 저하 메커니즘 및 그들의 영향을 정의 하는 모든 데이터를 결합 합니다.