その場で太陽電池とモジュールの加速劣化のモニタリング: Cu (In, Ga) Se₂太陽電池に関するケーススタディ

注: セクション 1 と 3 は、cigs 系の劣化試験のため固有、このプロシージャが (例えば、ペロブスカイト有機太陽電池、結晶シリコン) 太陽電池の他のすべての種類を介してヘテロ接合型太陽電池は、これらの設定を持つテストされます。それは、すべてのデバイスの種類と形状、試料ホルダーを設計する必要があります注意してください。これらのホールダー デバイス劣化の影響この不明確になりますので、接点の劣化を防ぐために非腐食性の連絡先が必要です。さらに、測定システムに腐食した連絡先またはワイヤの結果の測定を防ぐために、4 点プローブの構成のサンプルをお勧めします。 1. cigs 薄膜太陽電池の作製 太陽電池セルを処理する場合、プロトコルのすべての手順で手袋を使用: 有毒な要素に対する保護が、またサンプル キッチン塩 (NaCl) のような不要な物質の沈着を防ぐ。 1 mm × 100 mm × 100 mm (SLG) ソーダライム ガラス サンプル 4 100 mm × 25 mm に長方形のストリップをカット ガラス カッターやダイヤモンド ペンで適切な基板を準備するために。 スパッタ コーターに SLG サンプルを配置します。直流 (DC) がガラス基板23日常温スパッタ法による連絡、0.5 μ m 厚いモリブデンを入金します。 単層、2 層、マルチ スタックなど、さまざまなスタック順序から選択します。たとえば、預金高の初期層 1-5 W/cm2の出力密度でより低いスパッタリング圧力 (例えば、0.003 mbar) が続く (例えば、0.03 mbar) の圧力をスパッタリングします。 1 M NaOH と 0.3 M K の3Fe(CN)624エッチング ソリューションを準備します。電気化学的エッチング パターン バック コンタクトを預金にモリブデンの 6 mm のストライプであります。注: この方法で、太陽電池は明確に定義されたエリア電気パラメーターに貢献するかもしれないまだ一部金の接点で覆われて太陽電池分野なし。 真空チャンバー内でサンプルを置き、銅、インジウム、ガリウム、セレンの雰囲気25の下で共蒸着プロセスで 2 μ m 厚い cigs 光吸収層を入金します。 たとえば、典型的な基板温度が 550 に 600 ° C を使用し、インジウム、ガリウム、セレン、ために銅豊富な cigs 薄膜の形成に続くの蒸発によって 3 段階蒸着プロセス、最初 (In, Ga) 形成2Se3に従ってください。銅の大量の追加。第三段階で必要な銅貧しい人々 cigs 光吸収体を形成する銅の蒸発器の電源を切ります。 また、低コストのプロセスを大気圧 2 段階蒸着を使用します。CuInGa 蒸着スパッタリング真空または大気圧の電気化学的析出を実行します。移動ベルト インジウムセレン化物オーブンで元素セレン雰囲気26セレンによってこれに従ってください。 化学のバースのサンプルを置き、「ケミカルバス法」による Cd バッファーを入金、厚みは 50 nm27(CBD) プロセス。通常の温度で NH4ああ、CdSO4、およびチオ尿素 (NH2CSNH2) の水ベースのソリューションを使用 〜 70° C スパッタ リング ツールのサンプルを置き、i ZnO を入金・ i ZnO とそれぞれ 50 nm と 800 1,000 nm28の厚さを持つ ZnO:Al ターゲットからスパッタで ZnO:Al フロント連絡無線周波 (RF) による。 I ZnO の使用純粋な ZnO ターゲット層や ZnO セラミックスの使用をターゲットに 2% Al2O3 ZnO:Al 層。部屋の温度と 200 ° C 間の堆積温度を使用します。これは商業モジュールで使用されていない、上部電極に導電性金属グリッドの使用を避けてください。したがって、この比較的厚い ZnO:Al レイヤーを使用して、モジュール デザインを模倣これらの細胞における十分な電気伝導度を許可します。 ナイフで傷まで太陽電池の (1.4 の手順でエッチングの反対側) に 14 mm のストライプを慎重に。 層の硬さの差を使用して、上位層のみを削除することによって (ZnO:Al/i-ZnO/Cd/CIGS) モリブデンのバック コンタクトをそのまま残す。太陽電池モジュールのセルの幅を 5 mm の幅を形成します。 金スパッタ リング ツールのサンプルを置き、太陽電池の金が入金されないように、マスクとして中央にストライプでそれをカバーします。預金の金色の接触部 〜 細胞の連絡を許可するために背中に連絡 (モリブデン) のフロントの連絡先 (ZnO:Al) 常温スパッタによる 60 nm の厚さ。メモ: 希金属の接触の使用は、電池劣化の影響を学ぶことができますので、過酷な条件に、接点の劣化なしサンプルの長期暴露をできます。 7 mm ワイド サンプルにガラス カッターやダイヤモンド ペンでストリップをカット、今ある細胞表面の ~ 7 mm × 5 mm と 7 mm × 25 mm (図 2) の合計サイズです。注: 断面の概略だけでなく、細胞の顕微鏡写真図 2に示します。ヘテロ接合型太陽電池の実験のため、様々 な成膜アクティブな吸収体層 (ヘテロ接合型) の手続きされている (参照29に似ています)、アナログのプロシージャに続く他のすべてのレイヤーが堆積した間。 図 2: CIGS サンプル デザインします。(top)Cigs 系のサンプルと上部から撮影 (下)、CIGS の顕微鏡写真サンプルの断面の模式図。この図は、参照14,30から一部変更されています。この図の拡大版を表示するのにはここをクリックしてください。 2. 劣化前に太陽電池の分析 元場電圧 (IV) の現在のパフォーマンスの標準的なテスト条件下で太陽電池の測定 (STC は、照明: 1000 W/m ² と AM 1.5、温度: 25 ° C) 4 点プローブ構成では IV の電気的パラメーターを決定するにはテスターです。 正確な電流密度と波長依存吸収30,31スペクトル応答 (SR) のセットアップでの外部量子効率 (EQE) を測定し、正確な電流密度を計算します。 任意の visual と横方向の欠陥を識別する (顕微鏡) 像を取るし、照らされたロックのサーモグラフィ (ILIT)31およびフォトルミネッ センス (PL) マッピング31高倍率でのマッピングを記録します。 高倍率と IR 光源の 15 μ m のレンズで熱感知器で ILIT デバイスの下でサンプルを配置します。サンプルを照らすし、温水の場所を識別する温度の空間の差を記録します。 空間の発光画像を得るためのマッピング PL 設定の下でサンプルを配置します。照明と CCD カメラ データ検出のための高出力 LED 光源を使用します。注: 参照15,16,20,30の例を見つけることが。 サンプルの残りの部分を配置する参照としてアルゴン グローブ ボックスの中の分解実験用太陽電池の数を選択します。完全スライド (例えば組成勾配) 内の任意の違いが同じ重要度で、実験と参照サンプルの提示、実験サンプルとリファレンスとして太陽電池の混合セットを選択します。注: これはたとえば 1、3、4、5、7、8 のスライドで位置と細胞は 2 と 6 の位置は、セルを参照しながら、実験的細胞、意味できます。 3. サンプル ホルダーに太陽電池セルの配置 サンプル ホルダーがセルに任意の影をキャストしていないようにゴールドのフロントとバックの連絡先と測定ピン間の接触では太陽電池を配置します。注: 試料ホルダーが具体的気候テスト中に過酷な条件に耐えるように設計されています。さらに、彼らは持っている限られたアウトガス材料の構築されます。 太陽電池とセットアップ外測定ツールとの間の電気接触を許可する CSI セットアップの内部サンプル ラックの試料ホルダーを配置します。AM 1.5 光によって強調表示されます専用の位置のサンプル ラックを置きソース。注: 光源仕様は次のとおりです。CSI1: 40 cm x 40 cm エリア、1,000 W/m2、BAA 校正照明;CSI2: 100 x 100 cm2の領域、1,000 W/m2、AAA 校正照明、IEC60904 によると校正-9:200732。 4. 分解実験の実行 太陽光シミュレータ、計測機器、気候室およびコンピューターに切り替えます。 太陽光シミュレータ、電気的バイアスおよび気候室設定制御測定コンピューターをプログラムします。電圧、電圧ステップ、測定シーケンス、および IV 測定ソフトウェアで測定間隔を定義し、ソフトウェアで温度、湿度、バイアス電圧、および照明プロファイルを定義します。注意: は、このソフトウェアによる実験中に測定を操縦をさせてください。 IV 測定の典型的な設定は、-0.2 V 120 ステップ (0.01 V/ステップ) で 1.0 V の範囲で電圧を使用します。ほとんどの場合、システムはすべての IV 測定と休止時間を約 5 分の間交互に注意してください。 気候室およびセットアップで太陽電池の温度を安定させます。ソフトウェアでサンプル温度を確認します。注: 太陽電池のための典型的な温度は 25 ° C は、STC の温度です。以来、照明はサンプルにヒートアップ、サンプルの温度は周囲の商工会議所より高い常に。気候室の典型的な開始温度は-10 ° C ~ +5 ° C (+ 5 ° C チャンバー内温度たとえば CIGS サンプル温度が 25 ° C につながることができます)。その他サンプル デザインまたはコンポジションを選択すると、他室の温度は 25 ° C サンプル温度を取得する必要があります。 0.1 0.3 で、例えば、85 ° C に達するまでゆっくりと気候室を熱 ° C/分は気候室コンピューターからチャンバー内温度を読み取ってソフトウェアからサンプル温度を読みます。注: 標準サンプルの温度は、100 ° C と 110 ° C 間商工会議所が 85 ° C です。これらの値は、サンプルによって異なります、特に基板の種類、サンプル ホルダーのデザインと太陽電池自体が影響を受けます。この段階でセルは、開放状態で測定されていない特記が異なる。加熱段階で内部電圧バイアスの影響を除外する場合、照明することができますオフこの段階で。 CSI1、CSI2 使用 15 32 サンプルの熱電対で温度を測定するすべての個々 のセルに個々 の熱電対に接続します。記録し、個々 の温度を記録します。 自動的に彼らが意味する決定サンプル数に応じて、いくつかの分を 0.5、加熱時に太陽電池 1 つずつの電流電圧特性を測定します。ソフトウェアで電気パラメーターを確認します。 電流電圧特性から電気パラメーターを計算します。常に効率、開放電圧、短絡電流密度、フィルファクター、直列抵抗を決定し、シャント抵抗します。電流電圧特性の端に斜面から抵抗を決定します。 必要な場合は、141 ダイオード モデルあてはめによる理想係数、飽和電流密度および電流密度の写真も決定します。注: ただし、フィッティング手順は比較的信頼性の高いメモの動作は理想的なダイオード、太陽電池が低下。これらの高温によって測定される効率は、開回路電圧13減少で表示される主 STC は、下よりも低くなります。 気候室内の湿度をオンに、85% の相対湿度 (RH) は、標準的な設定。これは実験の開始の点では一般に (t = 0 h)。気候室コンピューターから RH を観察します。注: 実際のサンプル相対湿度が設定値よりも低いです。これ絶対湿度は同じ試料温度は 85 ° C よりも高いという事実が原因です: 相対湿度は温度の関数で、この値が 85% RH33よりも低い。 数百 ~ 数千時間の電流電圧特性を測定しながらの CSI の設定でサンプルを残します。曲線のすべての 5 〜 10 分の測定が、これ需要によって異なります。ソフトウェアで電気パラメーターを確認します。 残りの時間でいずれかのオープン回路条件 (標準条件) 下でのサンプルを保持または +20 V、-20 V から様々 な電気の負荷を使って様々 な電気的バイアスの下に配置します。実験中に電気的バイアスの変更が必要な場合に、トレーサー ソフトウェアで設定値を変更します。注: ‘標準’ の設定は、最大電力点 (MPP) 条件 (電圧および太陽電池の電流)、短絡の条件、および限られた否定的な電圧の条件です。後者を使用して、モジュールの部分的なシェーディングをシミュレートします。 様々 な暴露時間後サンプルの詳細については、他人の前にセットアップからサンプル ホルダーに限られたサンプル数を削除します。これを実行残りのサンプルへの影響を最小限に抑えるために照明の下でそして非常に迅速な方法です。これは当然のことながら小さいサンプルの可能性のみです。 実験の終わりには、数時間で部屋の温度まで室内をゆっくり冷却し、試料ホルダーと一緒にサンプルを削除します。気候室コンピューターから温度を確認します。注: また、湿度中に例えば、800 W/m2 (紫外線)、他の光の強度を使用することが可能だし、温度も変化する自然。その場合は、異なる光強度の得られた電気パラメーターを修正必要があります。CIGS 太陽電池の直後頃に電気パラメーターに予期せぬ変化が発生したことが観察された (例えば、15 分) 点灯 (と光源によって加熱) ないです。照明をつけっぱなしにお勧め場合この効果は研究の目的は、継続的に14。 5. 解析劣化し、セルを参照 劣化の設定で露出時間の関数としての電気的パラメーターの開発をプロットします。 サンプルは STC で電気パラメーターを取得する設定から削除された後直接劣化太陽電池の元場IV 測定を繰り返します。正確な電流密度と波長依存性の吸収のため外部量子効率測定を繰り返します。 再び照らされたロックイン赤外線マッピングと発光マッピングを記録し、ビジュアルと横方向の欠陥の変更を識別するために (顕微鏡) の写真を撮る。劣化前とに、同じ設定を使用します。 (断面) 走査型電子顕微鏡エネルギー分散型 x 線分光 (SEM ・ EDX)31、x 線回折 (XRD)31、二次イオン質量分光法 (SIMS) の31、および温度のような他の分析手法を使用して、依存電流電圧 (IV(T))31故障メカニズムを識別するため。 低下両方のこれらの破壊的な分析を実行し、CSI セットアップにおける暴露による変化を観察するためのサンプルを参照します。 6 劣化機構とモードの定義 太陽電池モジュールの長期的安定性の劣化機構とその影響を定義するすべてのデータを結合します。