In Situ Monitoramento da degradação desempenho acelerado de células solares e módulos: um estudo de caso de Cu (In, Ga) Se₂ células solares

Nota: As seções 1 e 3 são específicos para testes de degradação do CIGS e CZTS células solares através deste procedimento, mas todos os outros tipos de células solares (por exemplo, perovskites, PV orgânico e silício cristalino) são ou serão testadas com essas configurações. Note-se que para cada tipo de dispositivo e geometria, um porta-amostras deve ser projetado. Estes suportes devem ter contatos de aço para prevenir a degradação de contato, uma vez que isto poderia obscurecer os efeitos da degradação do dispositivo. Além disso, é aconselhável entrar em contato com amostras em uma configuração de quatro pontos de sonda, para evitar que a medição dos resultados dos contactos corroídos ou fios no sistema de medição. 1. preparação de células solares CIGS Usar luvas de todas as etapas do protocolo ao manusear células solares: proteger contra os elementos tóxicos, mas também evitar a deposição de materiais indesejados, como o sal de cozinha (NaCl), sobre as amostras. Corte uma 1 x 100 mm x 100 amostras de vidro de cal sodada (SLG) mm em quatro 100 x 25 mm tiras retangulares com uma caneta de vidro cortador ou diamante para preparar substratos apropriados. Coloca a amostra SLG em um sputter coater. Deposite o 0,5 µm espessura molibdênio volta contato por pulverização catódica de corrente contínua (DC) à temperatura ambiente em vidro substratos23. Escolha entre várias sequências de pilha, incluindo uma única camada, uma BICAMADA e uma pilha de multijogador. Por exemplo, depositar uma BICAMADA com uma inicial de alta pressão (por exemplo, 0,03 mbar) que sputtering seguido de uma pressão sputtering mais baixa (por exemplo, 0.003 mbar) a densidade de energia de 1-5 W/cm2. Prepare uma solução de ácido condicionador de 1m NaOH e 0,3 M K3Fe(CN)624. Eletroquimicamente condicione a uma faixa de 6 mm do molibdênio para depositar um contato volta estampado.Nota: Desta forma, a célula solar tem uma área bem definida, sem célula solar áreas cobertas pelos contatos de ouro, que ainda parcialmente contribuam para os parâmetros elétricos. Colocar a amostra em uma câmara de vácuo e depositar uma camada absorvente do CIGS espessura 2 µm por um processo de coevaporation sob uma atmosfera de cobre, índio, gálio e selênio25. Por exemplo, usar temperaturas do substrato típico de 550 a 600 ° C e siga o processo de deposição de três estágios, a primeira formação (In, Ga)2Se3 por evaporação de índio, gálio e selênio, seguido pela formação de um cobre CIGS rico devido a a adição de grandes quantidades de cobre. Desligue o evaporador de cobre para formar o absorvente de CIGS cobre-pobres exigido na terceira fase. Como alternativa, use uma deposição de dois estágios a pressão atmosférica para um processo de baixo custo. Execute CuInGa deposição, por pulverização catódica de vácuo ou por deposição eletroquímica de pressão atmosférica. Siga isto por selenization sob uma atmosfera de selênio elemental26 em um forno de selenization cinto em movimento. Colocar a amostra em um banho químico e depositar o buffer de CdS por uma deposição de”banho químico” processo (CBD) com uma espessura de 50 nm.27. Normalmente, usar uma solução de água com base de NH4OH e CdSO4tioureia (NH2CSNH2) a uma temperatura de ~ 70° C. Colocar a amostra em uma ferramenta de pulverização catódica e depositar o i-ZnO / ZnO:Al dianteiro contato por rádio frequência (RF) que sputtering do i-ZnO e alvos de ZnO:Al com espessuras de respectivamente 50 nm e 800-1.000 nm28. Para i-ZnO uso uma camada de um alvo de ZnO puro e uso uma cerâmica de ZnO alvo com 2% Al2O3 para a camada de ZnO:Al. Temperaturas de deposição de uso entre a temperatura ambiente e 200 ° C. Evite o uso de uma grelha metálica condutora no eletrodo de topo, como isso não é usado em módulos comerciais. Portanto, use essa camada relativamente grossa de ZnO:Al para permitir suficiente condutividade nestas células que imitam um projeto de módulo. Com cuidado riscar fora uma listra de 14 mm (no lado oposto do condicionamento na etapa 1.4) da célula solar com uma faca. Por fazer uso da diferença de dureza das camadas, remover apenas as camadas superiores (ZnO:Al / i-ZnO/CdS/CIGS) e deixar o molibdênio contato volta intacta. Formar células solares com uma largura de 5 mm, semelhante à largura de uma célula em um módulo. Colocar a amostra em uma ferramenta de pulverização catódica ouro e cubra-o com uma listra no meio como uma máscara, para que o ouro não é depositado na célula solar. Depósito de ouro contatos de ~ 60 espessura nm por pulverização catódica em temperatura ambiente em ambos o contato volta (molibdênio) e o contato frontal (ZnO:Al) a fim de permitir entrar em contato com as células.Nota: O uso de um contato de um metal nobre permite a exposição de longo prazo das amostras a condições adversas, sem degradação dos contatos, para que a degradação da célula pode ser estudada. Corte as tiras com um cortador de vidro ou uma caneta de diamante em amostras de largura de 7mm, que agora tem uma superfície de célula de ~ 7 x 5 mm e um tamanho total de 7 x 25 mm (Figura 2).Nota: Uma representação esquemática da secção transversal, bem como uma imagem de microscopia de uma célula é mostrada na Figura 2. Para os experimentos com células solares CZTS, um procedimento diferente de deposição da camada absorvente ativo (CZTS) foi seguido (semelhantes a referência29), enquanto todas as outras camadas foram depositadas após um procedimento analógico. Figura 2 : Desenho da amostra CIGS. (topo) Representação esquemática da secção transversal de uma amostra do CIGS e amostra (em baixo) uma imagem de microscópio de um CIGS tirada do alto. Esta figura foi parcialmente modificada das referências14,30. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura. 2. análise das células solares antes de degradação Medir o ex situ atual tensão (IV) desempenho das células solares sob condições de teste normais (STC, iluminação: 1000 W/m ² e AM 1.5, temperatura: 25 ° C) em uma configuração de sonda quatro ponto para determinar os parâmetros elétricos com uma IV verificador. Medir a eficiência quântica externa (EQE) para a exata densidade de corrente e o comprimento de onda de absorção dependente30,31 com uma configuração de resposta espectral (SR) e calcular a densidade de corrente exata. Gravar a iluminado bloquear em Termografia (ILIT) mapeamento de31 e o mapeamento de fotoluminescência (PL)31 com uma grande ampliação e captar imagens (microscopia) para identificar quaisquer defeitos visuais e laterais. Coloca a amostra em um dispositivo ILIT com detector de calor com uma lente de 15 µm para ampliação elevada e uma fonte de iluminação IR. Iluminar a amostra e gravar a diferença espacial de temperatura para identificar os locais aquecidos. Coloca a amostra em uma configuração de PL de mapeamento para obter uma imagem espacial fotoluminescência. Use uma fonte de luz de LED de alta potência para iluminação e uma câmera CCD para a deteção de dados.Nota: Os exemplos podem ser encontrados nas referências15,16,20,30. Selecione um número de células solares para as experiências de degradação, ao colocar o resto das amostras em uma caixa de luvas de argônio como referência. Selecione um conjunto misto de células solares como referência e como amostras experimentais, então qualquer diferença dentro dos slides completo (por exemplo, gradientes na composição) são na mesma gravidade presente no experimento e amostras de referência.Nota: Isso pode significar por exemplo que com posições 1, 3, 4, 5, 7 e 8 nos slides são experimentais células, enquanto as posições 2 e 6 são células de referência. 3. colocação das células solares em suportes de amostra Coloque as células solares em amostra titulares que não lançar qualquer sombra sobre as células e fazer contato entre o ouro da frente e traseiros contatos e pinos de medição.Nota: Os titulares de amostra são projetados especificamente para suportar as duras condições durante os testes de clima. Além disso, eles são construídos de materiais que têm apenas limitado a desgaseificação. Coloque os suportes de amostra na prateleira amostra dentro da configuração do CSI, que permitem o contato elétrico entre as células solares e as ferramentas de medição do lado de fora da instalação. Coloque o Carré de amostra na posição dedicada, onde ele será iluminado por um AM 1.5 luz fonte.Nota: As especificações da fonte de luz são como segue. CSI1: área de 40cm x 40cm, 1.000 W/m2, BAA calibrado iluminação; CSI2: 100 x 100 cm2 área 1.000 W/m2, iluminação AAA calibrado, calibrações de acordo com IEC60904-9:200732. 4. execução do experimento degradação Ligue o computador, o equipamento de medição, câmara climática e o simulador solar. Programa do computador de medição, que controla o simulador solar, elétricos preconceitos e configurações de câmara climática. Definir a escala de tensão, medidas de tensão, sequência de medição e tempo entre as medições do software de medição de IV e definir a temperatura, umidade, tensão de polarização e perfis de iluminação no software.Nota: Deixe este software orientar as medições durante a experiência completa. Para as configurações típicas para as medições de IV, use tensão na faixa de-0.2 V a 1,0 V em 120 passos (0,01 V/passo). Observe que, na maioria dos casos, o sistema alterna entre as medições de IV de todas as amostras e pausas de cerca de 5 min. Estabilize a temperatura da câmara climática e as células solares no setup. Observe a temperatura da amostra no software.Nota: Uma temperatura típica para as células solares é de 25 ° C, qual é a temperatura STC. Desde que a iluminação aquece as amostras, a temperatura da amostra é sempre superior a câmara circundante. Temperaturas de partida típicas da câmara climática são de-10 ° C a + 5 ° C (+ 5 ° C de temperatura de câmara por exemplo pode levar a temperaturas de amostra do CIGS de 25 ° C). Se outros projetos de amostra ou composições são selecionadas, outras temperaturas de câmara podem ser necessário para obter amostra de 25 ° C de temperatura. Aquecer a câmara climática lentamente até atingir 85 ° C, por exemplo em 0.1-0.3 ° C/min. Leia a temperatura de câmara a partir do computador de câmara climática e ler a temperatura da amostra a partir do software.Nota: As temperaturas típicas de amostras são então entre 100 ° C e 110 ° C quando a câmara é de 85 ° C. Esses valores variam entre as amostras e são especialmente influenciados pelo tipo de substrato, o projeto de amostra titular e material e a própria célula solar. Durante este estágio, as células estão em condições de circuito aberto quando eles não são medidos, a não ser mencionado de forma diferente. Se a influência de qualquer viés de tensão interna durante a fase de aquecimento tem de ser excluída, a iluminação também pode ser desligado durante este estágio. CSI1, anexe um termopar individual para todas as células individuais para medir sua temperatura, enquanto no CSI2 uso 15 termopares para 32 amostras. Gravar e registrar as temperaturas individuais. Automaticamente medir as curvas de tensão atual das células solares um por um durante o aquecimento, o que significa que eles são determinados a cada 0,5 a vários min, dependendo do número de amostras. Observe os parâmetros elétricos no software. Calcule os parâmetros elétricos de curvas de tensão atual. Sempre determinar a eficiência, tensão de circuito aberto, densidade de corrente de curto-circuito, fator de preenchimento, resistência série e resistência de derivação. Determine as resistências das encostas na extremidade das curvas de tensão atual. Se necessário, também determine o factor de idealidade, densidade de corrente de saturação e densidade de corrente foto por encaixe com o modelo de um díodo14.Nota: No entanto, note que estes procedimentos de montagem são relativamente não confiáveis para degradado células solares que não se comportam como diodos ideais. A eficiência como medido por estas temperaturas elevadas será inferior sob STC, que é principalmente visível em uma diminuição da tensão de circuito aberto13. Liga a umidade na câmara climática, uma configuração padrão é uma umidade relativa (RH) de 85%. Este é geralmente o ponto de partida do experimento (t = 0 h). Observe o RH a partir do computador de câmara climática.Nota: A umidade relativa de amostra real é menor do que o valor do conjunto. Isto é causado pelo fato de que a temperatura da amostra é superior a 85 ° C, enquanto a umidade absoluta é a mesma: uma vez que a umidade relativa é uma função da temperatura, esse valor é inferior a 85% RH33. Deixe as amostras nas configurações CSI para 100s de 1.000 horas, enquanto as curvas de tensão atual de medição. Medir as curvas de cada 5 a 10 min, mas isto variar sob demanda. Observe os parâmetros elétricos no software. No tempo restante, conservar as amostras sob condições de circuito aberto (condições padrão) ou colocá-los sob várias polarizações elétricas com o uso de cargas elétricas, variando entre -20 V + 20 V. No caso de uma modificação do bias elétrica é necessária durante o experimento, altere o valor definido no software do localizador.Nota: Configurações ‘Padrão’ são as condições de ponto de potência máxima (MPP) (a tensão de operação e a corrente de uma célula solar), condições de curto-circuito e condições com uma tensão negativa limitada. Use este último para simular sombreamento parcial do módulo. Para saber mais sobre amostras após vários tempos de exposição, remova um número limitado de amostras nos suportes da amostra da configuração antes dos outros. Execute esta sob iluminação e de forma muito rápida para minimizar a influência sobre as restantes amostras. Isto naturalmente só é possível para pequenas amostras. No final do experimento, arrefecer a câmara até à temperatura lentamente em poucas horas e remover as amostras juntamente com seus detentores de amostra. Observe a temperatura do computador câmara climática.Nota: Também é possível usar outras intensidades luminosas (por exemplo, 800 W/m2 ou luz ultravioleta), enquanto a umidade e a temperatura também naturalmente pode ser variada. Nesse caso, os parâmetros elétricos obtidos devem ser corrigidos para a intensidade da luz diferente. Observou-se que mudanças inesperadas em parâmetros elétricos ocorreram quando as células solares CIGS foram logo (por exemplo, 15 min) não iluminado (e aquecido pela fonte de iluminação). Se este efeito não é o objetivo do estudo, recomenda-se deixar a iluminação continuamente14. 5. análise da degradada e células de referência Traça o desenvolvimento dos parâmetros elétricos em função do tempo de exposição nas configurações de degradação. Repita as medições ex situ IV das células solares degradadas diretamente depois que as amostras são retiradas as configurações para obter os parâmetros elétricos em STC. Repita as medições de eficiência quântica externa para a densidade de corrente exata e dependente do comprimento de onda de absorção. Registrar novamente o mapeamento iluminado bloquear em Termografia e mapeamento de fotoluminescência e tirar fotos (microscopia) para identificar qualquer alteração de defeitos visuais e laterais. Use as mesmas configurações antes de degradação. Usar outras técnicas de análise, como (secção transversal) microscópio eletrônico de varredura-energia dispersiva radiografia espectroscopia (SEM-EDX)31, difração de raios x (XRD)31, espectroscopia de massa de iões secundário (SIMS)31e temperatura tensão de corrente dependente (IV(T))31 ainda identificar os mecanismos de falha. Executar essas análises destrutivas em ambos degradado e referência amostras para observar as alterações devido à exposição nas configurações CSI. 6. definição dos mecanismos de degradação e modos Combine todos os dados para definir mecanismos de degradação e seu impacto na estabilidade de longo prazo da células solares ou módulos.