<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

Please note that all translations are automatically generated. Click here for the English version.

Engineering

На месте Мониторинг производительности ускоренной деградации солнечных элементов и модулей: тематическое исследование для Cu (In, Ga) Se₂ солнечных батарей

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

Два «Комбинированные стресс-тест с в situ измерения» настройки, которые позволяют в реальном времени мониторинг ускоренной деградации солнечных элементов и модулей, были разработаны и построены. Эти настройки позволяют одновременное использование влажности, температуры и электрических предрассудков, и освещение как самостоятельно контролируемых факторов стресса. Представлены настройки и выполнения различных экспериментов.

Abstract

Levelized стоимость электроэнергии (LCOE) фотоэлектрических (PV) систем определяется, среди прочих факторов, надежность модулей PV. Улучшение прогнозирования деградации механизмов и предотвращения сбоя модуля поля можно соответственно уменьшить инвестиционные риски также увеличить выход электроэнергии. По этим причинам уровень улучшения знаний можно значительно снизить общую стоимость электроэнергии PV.

Чтобы лучше понять и сведения к минимуму деградации Фотоэлектрических модулей, происходя деградации механизмы и условия должны быть определены. Это предпочтительно должно происходить под комбинированным подчеркивает, поскольку модули в области также одновременно подвергаются воздействию многочисленных факторов стресса. Таким образом были разработаны и построены два «комбинированные стресс-тест с в situ измерения» установок. Эти настройки позволяют одновременное использование влажности, температуры, освещения и электрических предрассудков как независимо управляемых стресс-факторов на солнечных элементов и minimodules. Настройки также позволяют в реальном времени мониторинг электрических свойств этих образцов. Этот протокол представляет эти настройки и описывает экспериментальные возможности. Кроме того, также представлены результаты, полученные с этих установок: различные примеры о воздействии осаждения и ухудшения условий на стабильность тонкой пленки Cu (In, Ga) Se₂ (CIGS), а также Cu₂ZnSnSe₄ (CZTS) солнечные элементы описаны. Также представлены результаты на температурную зависимость CIGS солнечных батарей.

Introduction

Фотоэлектрических систем считаются экономически эффективные формы возобновляемой энергии. Фотоэлектрические модули представляют собой ядро этих Фотоэлектрических систем и обычно продаются с гарантией исполнения более 25 лет (например, потеря максимум 20% эффективности после этого периода)¹. Это важно для доверия потребителей и инвесторов, что эти гарантии будут выполнены. Выход электроэнергии должно поэтому быть максимально стабильной и высокой над по крайней мере жизни нужный модуль. Это должно осуществляться путем уменьшения деградации медленный, но устойчивый² и неожиданные преждевременной модуль неудач, которые, например, может произойти из-за ошибок производства. Примеры наблюдаемых модуль неудач в области являются потенциальной деградации индуцированной (PID)³ и⁴ свет индуцированной деградации (крышка) для кристаллических кремниевых модулей или воды индуцированной коррозии в CIGS модулей⁵^,⁶ ^, ⁷ ^, ⁸. для того, чтобы предотвратить снижение поля жизни Фотоэлектрических модулей, деградации механизмы следует поэтому определены и сведены к минимуму.

Улучшение понимания механизмов деградации, происходящих в Фотоэлектрических элементов и модулей также поможет снизить издержки производства Фотоэлектрических модулей: во многих случаях, защитные материалы против экологическим стрессам внедряются в модули для предлагает гарантированный срок службы. Это пример для гибких тонкопленочных модулей, как CIGS, которые содержат дорогие барьер для предотвращения воды ингрессия true. Все материалы в таких модулей можно сделать до 70% расходов на модуль. Эти защитные материалы часто негабаритных для того, чтобы быть уверенным получить необходимые жизни: больше знаний о механизмах, деградации таким образом может сделать солнечных батарей, внутренне более стабильной и более точно предсказуемой. Лучшего понимания долгосрочной стабильности модуля и его составляющих бы поэтому вероятно предотвратить чрезмерное размеров и позволяют сокращение расходов на эти защитные материалы.

Чтобы дать общую оценку надежности модулей, солнечных батарей и модулей сегодня протестированные и утвержденные корпорацией ускоренной жизни тесты (ALT)⁹. Самые глубокие квалификационные испытания определяются 61215 тесты Международной электротехнической комиссии (МЭК)¹⁰, которые дают «go go/нет» решения на стабильность Фотоэлектрических модулей. Однако Остервальда и др. ¹¹ показало, что позитивные результаты испытаний IEC не всегда указывают что PV модуль может стоять открытый условия для 25 или более лет. Это ограниченное корреляции между полевые и лабораторные испытания была продемонстрирована быть особенно верно для относительно новых тонкопленочных модулей¹².

Эти тесты не дают понимание механизмов деградации («какие процессы или который подчеркивает приводят к деградации наблюдается медленное модуль или быстрый модуль неудачи?»). Кроме того эти испытания, которые в настоящее время основаны на одиночной или двойной стресс-факторов (например, механическому воздействию, или комбинированные температуры и влажности) может конечно не имитировать поведение поля в надежным способом, поскольку Фотоэлектрических модулей в области являются тема многочисленные комбинированный напряжений (например: температура, влажность, ветер, снег, освещения, пыль, песок, воды). Эти напряжения могут также варьироваться в зависимости от климатической зоны: в пустыне, температуры и освещенности, вероятно, важные стрессовых факторов; в умеренном климате влияние например влажности также может быть очень важным. Для имитации деградации и последующие сбои в различных климатических условиях, таким образом требуются различные сочетания нескольких напряжений. Следовательно одновременное воздействие многочисленных стрессов очень важно получить хорошую оценку надежности модуль в определенных условиях, и комбинированной стресс-тесты должны таким образом быть частью лабораторных испытаний.

Таким образом, предлагается, что следует улучшить количественные и качественные понимание механизмов деградации, происходящих в условиях комбинированной стресс. В идеале информация о солнечных батарей или модуль также должна собираться в ходе этих испытаний, чтобы разрешить идентификации изменения устройства во время экспозиции. Таким образом мы разработали и строительство двух установок, которые позволяют одновременное воздействие влажности, (повышенной) температуры, электрических предрассудков и освещения. В этих установках тяжесть этих напряжений могут также быть настроены, в зависимости от цели эксперимента. Кроме того освещение позволяет, на месте мониторинг PV устройства (рис. 1)¹³^,¹⁴^,^,¹⁵¹⁶^,¹⁷^,¹⁸^, ¹⁹ ^, ²⁰. Эти типы тестов будет называться «Комбинированные стресс-тестов в situ измерения» (CSI). В этом протоколе будут представлены два гибридных деградации установок, названный «CSI 1′ и «CSI-2′. Многие исследования, направленные на улучшение понимания производительности и деградации, особенно тонких пленок CIGS солнечных батарей, были казнены с этих установок. Представлены разнообразные стабильности и температуры зависимостей результаты, полученные на неупакованные CIGS и CZTS солнечных батарей. Дополнительные сведения можно также найти в²¹^,²².

Рисунок 1 : «Комбинированный стресс-тесты с измерениями в situ » установки. Слева: Схематичный обзор CSI установки, включая системы измерения. Средний и правый: фотография CSI установок (климатических камер плюс солнечной тренажеров, систем измерения не изображается, установок имеют разные размеры). Средний CSI1, правый CSI2. Этот рисунок был изменен с¹⁹^,³⁰. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Protocol

Примечание: Разделы 1 и 3 являются специфическими для деградации тестирования CIGS и CZTS солнечные батареи через эту процедуру, но все другие виды солнечных элементов (например, перовскитов, органических PV и кристаллического кремния) являются или будут испытываться с этих установок. Следует отметить, что для каждого типа устройства и геометрии, держатель образца должны быть разработаны. Эти держатели должны иметь нержавеющий контакты для предотвращения контакта деградации, так как это будет затушевывать последствия деградации устройства. Кроме того рекомендуется связаться с образцами в четырех пунктов зонд конфигурации, чтобы предотвратить измерения результатов коррозии контактов или провода в системе измерения. 1. Подготовка CIGS солнечных батарей Использовать перчатки во всех этапах протокола при обработке солнечных батарей: защиты от токсичных элементов, но и предотвратить осаждения нежелательных материалов, как соль (NaCl), кухня на образцах. Нарежьте 1 мм x 100 мм x 100 мм извести соды (SLG) стекла образец четыре 100 мм x 25 мм прямоугольные полоски стекла резец или алмаз ручкой для того, чтобы подготовить соответствующие субстратов. Место SLG образца в распыления нанесения покрытий. Депозит 0,5 мкм толщиной молибдена обратно контакт по постоянного тока (DC) распыления при комнатной температуре на стеклянных подложек23. Выберите из различных последовательностей стека, включая один слой, бислоя и многопользовательские стека. Например, депозит бислой с высокой начальной магнетронное давления (например, 0.03 мбар) следуют более низкое распыление давление (например, 0,003 мбар) в плотности мощности 1-5 Вт/см2. Подготовьте раствор etch 1 M NaOH и 0.3 M K3Fe(CN)624. Электрохимически etch 6 мм полосой молибдена прочь на хранение узорной обратно контакта.Примечание: Таким образом, солнечных батарей имеет четко определенные области, без солнечных батарей, охватываемым золотые контакты, которые могли бы по-прежнему частично способствовать электрических параметров. Поместите образец в вакуумной камере и депозит 2 мкм толстый слой CIGS амортизатор coevaporation процессом под медь, индий, галлий и селен атмосферы25. Например использовать типичные субстрата температура 550 до 600 ° c и следуйте процесса осаждения три этапа, первый барабан (In, Ga)2Se3 испарением Индий, галлий и Селена, следуют формирования медь богатые CIGS из-за Добавление большого количества меди. Выключите меди испарителя сформировать необходимые медно плохой CIGS амортизатор на третьем этапе. Кроме того используйте два этапа осаждения при атмосферном давлении для лоу кост процесса. Выполните CuInGa осаждения, либо путем вакуумного напыления или электрохимического осаждения атмосферное давление. Следить за это selenization под Элементаль Селена атмосферу26 в движущейся пояса selenization печи. Поместите образец в ванне химического и хранение буфере компакт-диски «химическая Ванна осаждением» (КБР) процесс с толщиной 50 Нм27. Обычно использовать решение на основе воды и NH4OH, CdSO4, тиомочевины (NH2CSNH2) при температуре ~ 70° C. Поместите образец в средстве распыления и хранение i-ZnO / ZnO:Al фронт контакт радиочастотного (RF) распыления от i-ZnO и ZnO:Al цели толщиной соответственно 50 Нм и 800-1000 Нм28. Для i-ZnO слой чистого ZnO целевой и использования керамики ZnO целевой с 2% Al2O3 слоя ZnO:Al. Использование осаждения температуры от комнатной температуры до 200 ° C. Избегайте использования кондуктивный металлической сетки в верхнем электроде, как это не используется в коммерческих модулей. Таким образом используйте этот сравнительно толстые ZnO:Al слой позволяет достаточно проводимости в этих клетках, которые имитируют конструкции модуля. Тщательно нуля прочь полоса 14 мм (на противоположной стороне травления в шаге 1.4) солнечных батарей с ножом. Путем использования разницы в твердости слоев, удалить только верхние слои (ZnO:Al / i-ZnO/CdS/CIGS) и оставить нетронутыми обратно контакта молибдена. Формы солнечных батарей с шириной 5 мм, одинаковые по ширине ячейки в модуле. Поместите образец в средстве золото распыления и покрыть ее с полосой в середине как маску, так что не золото осаждается на солнечной батареей. Хранение золота контакты ~ 60 Нм толщина путем распыления при комнатной температуре на спине контакт (молибден) и Фронт контакта (ZnO:Al), чтобы связаться с клеток.Примечание: Использование контакта благородного металла позволяет длительным воздействием образцов к суровым условиям без деградации контактов, так что деградации клеток могут быть изучены. Нарезать полоски стеклорез или пером алмаз 7 мм широкий образцы, что теперь у поверхности клетки ~ 7 мм x 5 мм и общий размер 7 x 25 мм (рис. 2).Примечание: Схематическое представление поперечного сечения, а также картину микроскопии клетки показан на рисунке 2. Для экспериментов с CZTS солнечных батарей различные осаждения активного амортизатор слоя (CZTS) была процедура (аналогично ссылке29), в то время как все другие слои были сданы на хранение после аналоговый процедуры. Рисунок 2 : CIGS образец дизайна. (вверху) Схематическое представление поперечного сечения образца CIGS и (внизу) Микроскоп картину CIGS образца взяты из верхней. Этот показатель частично изменен с ссылки на14,30. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. 2. анализ солнечных элементов до деградации Измерить ex situ текущей напряжения (IV) производительность солнечных батарей при условиях стандартных испытаний (STC, освещение: 1000 Вт/м² и AM 1.5, температура: 25 ° C) в конфигурации четыре точки зонда для определения электрических параметров с IV Тестер. Измеряют внешний Квантовая эффективность (EQE) для точного плотности тока и волны зависит от поглощения30,31 с установки спектральной чувствительности (SR) и рассчитать точное плотности тока. Запись освещенный замок в термография (ИЛИТ) сопоставления31 и сопоставления фотолюминесценция31 с большим увеличением и принимать изображения (микроскопия) для выявления каких-либо визуальных и боковых дефектов. Поместите образец под устройство ИЛИТ с тепловой извещатель с объективом 15 мкм для большого увеличения и ИК-источника освещения. Освещают образца и записать пространственной разница в температуры для определения мест, подогревом. Поместите образец под PL установки сопоставления для получения пространственных фотолюминесценция изображения. Используйте высокая мощность светодиодный источник света для освещения и ПЗС-камеры для обнаружения данных.Примечание: Примеры можно найти ссылки на15,16,20,30. Выберите количество солнечных батарей для деградации эксперимента, а остальная часть образцов в Аргон бардачком как ссылка. Выберите смешанный набор солнечных батарей, как ссылка и как экспериментальные образцы, так что любая разница в пределах полной слайдов (например, градиенты в составе) в серьезность же присутствует в пробах эксперимент и ссылки.Примечание: Это для примера может означать, что клетки с позиции 1, 3, 4, 5, 7 и 8 на слайды являются экспериментальные клеток, в то время как позиции 2 и 6 являются ссылочные ячейки. 3. размещение солнечных батарей в держатели образца Место солнечных элементов в образце, держатели, которые не любую тень на клетки и сделать контакт между Золотой передней и задней контактов и измерения булавки.Примечание: Держатели образца разработаны специально для выдерживать суровые условия в ходе климатических испытаний. Кроме того они изготовлены из материалов, которые имеют лишь ограниченный дегазации. Установите держатели образца на образца стойки внутри CSI установки, которые позволяют электрического контакта между солнечных батарей и инструменты измерения вне установки. Установите решетку образца на выделенные позиции, где он будет освещен AM 1.5 света источник.Примечание: Характеристики источника света являются следующие. CSI1: 40 x 40 см площадь, 1000 Вт/м2, Бад калиброванные освещения; CSI2: 100 x 100 см2 площади, 1000 Вт/м2, AAA калиброванные освещения, калибровок согласно IEC60904-9:200732. 4. Выполнение эксперимента деградации Переключитесь на солнечной симулятор, измерительного оборудования, климатической камеры и компьютера. Программа измерения компьютер, который управляет солнечной симулятор, электрических предрассудков и климатических параметров камеры. Определить диапазон напряжения, напряжения шаги, измерение последовательности и времени между измерениями в IV программное обеспечение и определение температуры, влажности, напряжения смещения и освещение профили в программном обеспечении.Примечание: Пусть это программное обеспечение руководить измерения во время эксперимента полную. Типичные параметры для измерения IV используйте напряжение в диапазоне – 0,2 V 1.0 V в 120 шагов (0.01 V/шаг). Обратите внимание, что в большинстве случаев, система переключается между IV измерения всех образцов и пауз около 5 мин. Стабилизируйте температуру климатической камере и солнечных батарей в установке. Наблюдать за температура образца в программном обеспечении.Примечание: Типичная температура для солнечных батарей составляет 25 ° C, которая является температура STC. Поскольку освещение нагрюет вверх образцы, температура образца всегда выше, чем окружающие камеры. Типичный начальной температуры климатической камере от-10 ° C до + 5 ° C (+ 5 ° C температуры камеры например может привести к CIGS образец температуры 25 ° c). Если выбраны другие выборки или композиции, другие камеры температуры может потребоваться получить 25 ° C температура образца. Тепло климатической камеры медленно, пока достигнет 85 ° C, например на 0,1-0,3 ° C/мин чтение температуры камеры от климата палата компьютере и читать температура образца от программного обеспечения.Примечание: Типичные образцы температуры, затем между 110 ° C и 100 ° C палата при 85 ° C. Эти значения различаются между образцами и особенно влиянием тип субстрата, держатель образца и материалов и солнечных батарей, сам. На этом этапе клетки находятся в условиях открытой цепи когда они не измеряются, если не указано иначе. Если исключить влияние любого внутреннего напряжения смещения на этапе Отопление, освещение также можно покинуть во время этой стадии. Для CSI1 Прикрепите отдельные термопара для всех отдельных ячеек, чтобы измерять их температуру, в CSI2 использования 15 термопары для 32 образцов. Запись и журналов отдельных температур. Автоматически Измерьте текущие кривых напряжения солнечных батарей по одному во время нагрева, что означает, что они являются определяется каждые 0.5 до нескольких минут, в зависимости от количество выборок. Соблюдайте электрических параметров в программном обеспечении. Расчет электрических параметров из текущих кривых напряжения. Всегда определить эффективность, напряжение тока открытой цепи, плотность тока короткого замыкания, коэффициент заполнения, серия сопротивление и Шунтирующие сопротивления. Определение сопротивления от склонов в конце текущего кривых напряжения. При необходимости, также определите идеальность фактор, плотность тока насыщения и плотность тока фото, монтаж с одной диод модель14.Примечание: Однако, обратите внимание, что эти процедуры установки сравнительно ненадежны для деградации солнечных батарей, которые не ведут себя как идеальный диоды. Эффективность как измеряется этих повышенных температур будет ниже, чем в эпоху НТР, которая видна главным образом в снижение напряжения разомкнутой цепи13. Включите влажность в климатической камере, стандартным значением является относительная влажность (RH) 85%. Это как правило отправная точка эксперимента (t = 0 h). Наблюдать за RH от климата камеры компьютера.Примечание: Фактический пример относительной влажности ниже заданного значения. Это вызвано тем, что температура образца выше 85 ° C, в то время как абсолютная влажность-это то же самое: поскольку относительная влажность является функцией температуры, это значение меньше, чем 85% RH33. Оставьте образцы в CSI установок для 100s до 1000 часов, при измерении текущего кривых напряжения. Измерить кривых каждые 5-10 мин, но это различаются по требованию. Соблюдайте электрических параметров в программном обеспечении. В оставшееся время сохранить образцы, либо в условиях открытой цепи (стандартные условия) или поставить их под различных электрических предрассудков с использованием электрических нагрузок, колеблется от -20 V до + 20 V. В случае изменения электрического смещения не требуется во время эксперимента, измените значение в tracer программного обеспечения.Примечание: «Стандарт» параметры являются максимальная power point (MPP) условия (операция напряжения и тока солнечных батарей), короткое замыкание условия и условия с ограниченной отрицательным напряжением. Используйте последний моделировать частичное модуль затенение. Чтобы узнать больше о образцы после различных продолжительностей, удалите ограниченное количество образцов в держатели образца от установки до других. Выполните это под освещение и очень оперативно, с тем чтобы свести к минимуму влияние на оставшихся образцов. Это естественно возможно только для малых выборок. В конце эксперимента медленно охладить камеру до комнатной температуры в течение нескольких часов и удалить образцы вместе с их держатели образца. Соблюдайте температуру от климата камеры компьютера.Примечание: Это также можно использовать другие света (например, 800 Вт/м2 или ультрафиолетового света), а влажность и температура, естественно также может быть изменено. В этом случае полученные электрические параметры должны быть исправлены для различных интенсивности света. Было отмечено, что неожиданные изменения в электрических параметров произошла CIGS солнечных батарей были вскоре (например, 15 мин) не освещенные (и нагревают в источнике освещения). Если этот эффект не является целью настоящего исследования, то рекомендуется оставить на освещение непрерывно14. 5. анализ деградации и ссылаться на ячейки Участок развития электрических параметров как функция времени экспозиции в деградации установок. Повторите измерения ex situ IV деградированных солнечных батарей непосредственно после того, как образцы удаляются из установок для получения электрических параметров в STC. Повторите измерения эффективности внешней квантовой для точного плотности тока и зависящих от волны поглощения. Снова запись сопоставления освещенный замок в термографии и фотолюминесценции сопоставления и фотографировать (микроскопия) для выявления каких-либо изменений в визуальной и боковых дефектов. Используйте те же параметры как и до деградации. Использование других методов анализа, как (поперечные) сканирующий электронный микроскоп энергии дисперсионных рентгеновской спектроскопии (SEM-EDX)31, рентгеновской дифракции (XRD)31, спектроскопия массы вторичных ионов (SIMS)31и температуры зависит от напряжения тока (31 IV(T)) для дальнейшего выявления сбоя механизмов. Выполнить эти разрушительные анализы на обоих деградированных и ссылки на примеры наблюдать изменения вследствие воздействия в CSI установок. 6. определение механизмов деградации и режимы Объединить все эти данные для определения деградации механизмов и их влияние на долгосрочную стабильность солнечных элементов и модулей.

Representative Results

CSI установок были использованы для широкого круга экспериментов. Эксперименты сосредоточились на влияние на клетки или модуль композиции и дизайна, а также на влияние деградации условий. Некоторые примеры развития электрических параметров отображаются на следующих рисунках. Измерения на рисунке 3, Рисунок 5, Рисунок 6и 7 цифра были проведены в CSI1, в то время как Рисунок 4 был получен в CSI2. В этих цифрах он выбирается изображать эффективность устройства, напряжение тока открытой цепи или Шунтирующие сопротивления, но другие параметры, естественно также могут быть отображены. Рисунок 3 и 4 отображения влияние деградации условий на стабильность щелочно богатые CIGS солнечных батарей без барьер влажности или любой другой материал пакета. Рисунок 3 показывает, что эти клетки деградируют, когда они подвергаются воздействию освещения, тепла и влажности, в то время как они являются почти стабильными в отсутствие влажности. Это означает, что эти солнечные батареи или аналоговых модулей может быть полностью стабильной, когда хорошо упакованы против влажности15. Потенциальные пакет материалов естественно включают стекла, но и гибкий барьеры, которые часто основаны на органо неорганических нескольких стеков15. В будущих экспериментах эти возможности будут также проверены. Эти результаты также показывают, что этот пакет материал не может быть необходимым в жаркий и сухой климат. Рисунок 4 показывает влияние напряжения смещения при контакте с влажной жары плюс освещение: эти предварительные результаты показывают, что отрицательные низковольтные (-0,5 V, серый кривых) вероятно имеет более негативное воздействие на стабильность, чем короткого замыкания, открытой цепи, и условия MPP18. Рисунок 3 : Влияние влажности на CIGS солнечных батарей стабильности. Развитие эффективности неупакованных CIGS солнечных батарей как функция воздействия времени для освещения плюс сухого тепла (красный) и влажной жары (синий), принятым на повышенных температурах. Каждая строка представляет один из солнечных батарей. Эта цифра была изменена ссылка15. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 4 : Влияние электрических нагрузок на CIGS солнечных батарей стабильности. Эволюция эффективности неупакованных клеток как функцию от времени на различных напряжений плюс влажной тепла и освещения. Серый, синий, зеленый и красный кривых указывают подверженности -0,5 V, 0 V, ~ VMPPи открытой цепи условия, соответственно. Эти параметры получаются при повышенных температурах, в то время как эффективность комнатной температуре составляет около 50% выше. Каждая строка представляет один из солнечных батарей. Эта цифра была изменена ссылка18. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Из-за медленного нагрева (0,1-0,3 ° C/мин) во время нагрева и реальном времени измерения, эти настройки также автоматически разрешить определение зависимости температуры солнечных батарей. Рисунок 5 показывает зависимость напряжения разомкнутой цепи, полученные от кривых Отопление до деградации экспериментов. Этот график показывает, что существуют различия между открытой цепи напряжения (Voc) зависимость различных CIGS солнечных батарей, в то время как другие параметры, как последовательное сопротивление и ток короткого замыкания (не показано) индикация температуры даже больше различия между ячейками. Развитие других параметров можно найти в справочных34. Рисунок 5 : Зависимость температуры CIGS солнечных ячеек. Зависимость температуры (Voc) напряжение тока открытой цепи двух неупакованных CIGS солнечных батарей. Цвета указывают различные солнечных элементов конструкции: синие квадраты представляют собой образцы с процедурой дизайн и осаждения клетки, как описано выше. Красные круги показывают не упакованы CIGS солнечных батарей на полиимидная пленка с амортизаторы, сданные ионно лучевые помощь coevaporation. Каждая строка представляет один из солнечных батарей. Этот рисунок был изменен со ссылкой34. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Рисунок 6 показывает, что небольшие различия в составе солнечных элементов может иметь большое влияние на стабильность устройства. Этот эксперимент показал, что более высокой первоначальной эффективности щелочно богатые образцы, содержащие большое количество натрия и калия, но они также более сомнительной. С другой стороны были также подготовлены почти стабильной неупакованных солнечных элементов, которые содержит лишь небольшое количество щелочи элементов («щелочно бедных» образцы). Эти солнечные элементы были таким образом почти неразрывно стабильной и не нужно любой защитный материал. Основываясь на этой информации, в сочетании с ex situ результаты анализа, могут быть определены основные деградации механизмы для этих образцов: было отмечено, что основной движущей силой потеря эффективности щелочно богатые образцы резкое снижение Шунтирующие сопротивления16. Углубленный анализ свойств этих клеток отображается, что миграция щелочных элементов, более конкретно натрия, казалось, причиной это сокращение. Дополнительная информация представлена в ссылки на16,20. Поздних стадиях этого исследования направлены на развитие солнечных батарей с стабильность щелочные плохих образцов и высокой эффективности первоначальных щелочно богатые образцы. Рисунок 6 : Влияние содержания щелочи на CIGS солнечных батарей стабильности. Эволюция эффективности (слева) и Шунтирующие сопротивления (справа) двух видов неупакованных CIGS солнечных батарей воздействию влажной жары плюс освещения. Розовый и фиолетовый линии представляют щелочные плохих образцов, в то время как синие линии представляют собой образцы щелочно-богатые люди. Значения были получены при повышенных температурах, в то время как эффективность комнатной температуре на 30-80% выше. Каждая строка представляет один из солнечных батарей. Эта цифра была изменена ссылка16. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры. Последний пример фокусируется на различных CZTS образцы19. Рисунок 7 показывает, что различные виды неупакованных солнечных батарей демонстрировать другое поведение IV под влажной жары плюс освещения. Следует отметить, что эти клетки являются не идеальный солнечных батарей, поэтому увеличение эффективности и напряжения, как показано на этом рисунке является вероятно не представитель по CZTS солнечных батарей в целом, и никаких объяснений может быть предоставлен для этого поведения. Дополнительные исследования должны быть выполнены дать надежные заявления о стабильности этих клеток. Рисунок 7 : CZTS солнечные воздействию влажной жары плюс освещения. Эволюция нормализованное напряжение и эффективности четырех типов неоптимизированных неупакованных CZTS солнечных батарей как функцию от времени, воздействию влажной жары плюс освещения, принятых при повышенных температурах. Каждый цвет изображает другой тип CZTS солнечных батарей. Каждая строка представляет один из солнечных батарей. Эта цифра была изменена ссылка19. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы посмотреть большую версию этой фигуры.

Discussion

Были разработаны и построены два CSI установок для контроля электрических параметров солнечных элементов и модулей в реальном времени. Эти настройки позволяют одновременное воздействие влажной жары, освещения и электрических предрассудков, а также на месте определения параметров IV Фотоэлектрических устройств. Эти настройки были использованы для изучения влияние экологических напряжений (влажность, освещение, электрических предрассудков и температуры), а также ячейки или модуль композиция на долгосрочной стабильности неупакованных солнечных батарей. Рисунок 3 Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6и Рисунок 7 отображения выбор результаты, полученные с этих установок.

Стабильность результатов (рис. 3, рис. 4, Рисунок 6и рис. 7) из представленных исследований всегда следует относиться с осторожностью: для того, чтобы сделать перевод этих исследований стабильности модуля, ограничения всех ускоренной жизни испытаний на стабильность Фотоэлектрических устройств (включая это исследование) должны приниматься во внимание. Эти ограничения обусловлены тем, что условия в лаборатории предназначены для быстрого выявления механизмов деградации, в то время как некоторые механизмы деградации могут не удалось найти из-за отбора неправильно (тяжести) подчеркивает. Кроме того выбранные условия также может привести к деградации механизмов и последующие сбои, которые не встречаются в поле или происходят в поле до или после прогнозируемые сроки. Хотя, например, для условий влажной жары (85 °C/85% RH), фактора ускорения 219 предполагается, ссылка²⁵ показал, что этот показатель часто является нелинейной и может варьироваться в CIGS модулей между 10 и 1000, а для деградации различных механизмов.

Для оценки достоверности представленных результатов, наиболее важные различия между полевой модуль экспозиции и представлены эксперименты должны приниматься во внимание:

a. используемых лабораторных условиях являются более серьезными, чем полевых условиях, которая является внутренней требование для ускорения тестирования. Кроме того условия в этих экспериментах в основном постоянным, в то время как модули в поле будет подвергаться к постоянно меняющимся условиям.

б. в представленных экспериментов были использованы не упакованы солнечных батарей. Естественно барьерных материалов и герметики края будет играть важную роль в обеспечении стабильности устройства (особенно в влажных условиях). Кроме того влияние взаимосвязи и инкапсуляции материалов также является очень важным и не следует пренебрегать. Конечно эксперименты с упакованной и взаимосвязанных мини модули также возможны в этих установок.

c. из-за освещения, эксперименты, представлен на рисунке 3, Рисунок 5, Рисунок 6и 7 цифра , были казнены в условиях открытой цепи когда IV кривые не были записаны. Однако модули должен функционировать в условиях MPP, в то время как клетки могут также подвергаться вспять смещения условий в случае частичного модуль затенение. Рисунок 4 показывает, что лишь ограниченные различия между МПП и открытой цепи условия были замечены в этой конкретной эксперимент, но это может быть различным для других клеток или условий.

d. состав CIGS солнечных батарей имеет большое влияние на долгосрочную стабильность. Примеры исследований о влиянии композиция на стабильность можно найти например в ссылки на¹⁶^,²⁰. Поскольку точный характер влияния многих небольших изменений в стеке солнечных батарей еще не определены, деградация может произойти быстрее или медленнее, чем ожидалось.

Эти факторы указывают, что для действительно предсказать производительность модуля поля требуется большое количество исследований ускоренной жизни с отклонением в условиях деградации и составом образца. Кроме того эти результаты поэтому должны сочетаться с полевых исследований для получения полной картины о долговременной стабильности Фотоэлектрических модулей.

Однако мы предлагаем, что установок, представленные в настоящем исследовании, значительное улучшение по сравнению с стандартных испытаний IEC, из-за воздействия комбинированной стресс, а также в месте наблюдения. Эти свойства значительно улучшить прогностическая ценность ускоренной жизни экспериментов и увеличить наше понимание механизмов деградации. Четыре основных преимущества, по сравнению с «стандарт» (например, IEC 61215) тесты являются следующие возможности:

a. тестирование под воздействием комбинированных напряжений (например, температуры, влажности, освещенности и электрических предрассудков).

b. Настройка комбинированных напряжений для того, чтобы имитировать местным климатом (например, пустыни или полярных условиях).

c. Тюнинг электрических предрассудков, например, для имитации последствий частичного затенения.

d. в реальном времени мониторинг производительности устройства, что позволяет проще и быстрее, тестирование, а также лучше прогноза или ограничение деградации механизмов за счет расширения знаний уровня.

e. сокращение тестирования время, поскольку тест может быть остановлено прямо после произошел сбой, вместо того, чтобы после определенных испытательного периода (например, 1000 h).

Поэтому предлагается, что исследования жизни с представленной установок может значительно улучшить количественные и качественные понимания и прогнозирования долгосрочной стабильности солнечных элементов и модулей. В будущем, установки, предлагая «Комбинированные стресс-тестов в situ измерения» (CSI) для полной шкалы будут разработаны модули: установок с освещенной области 40 x 40 см и 100 см x 100 см слишком малы для полноразмерных Фотоэлектрических модулей, так что планирует увеличить в настоящее время ведутся масштаб этой концепции измерения комбинированной стресс.

Disclosures

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Авторы хотели бы поблагодарить Миро Земан (Делфте технологический университет) и Зегер Vroon (ТНО) за плодотворные дискуссии. Kyo Beyeler, Винсент Ганс, Екатерина Liakopoulou, Soheyl Мортазави, Габриэла де Аморим Соареш (все ТНО), Феликс Daume (Solarion) и Мари Buffière (ИМЕК) признал осаждения выборки и анализа и долгих дискуссий. Кроме того, мы хотели бы поблагодарить всех сотрудников от вечного солнца, Hielkema Testequipment и ReRa решения и более конкретно Роберт Ян ван Vugt, Александр Малдер и Винк Jeroen за их вклад.

Эти исследования были проведены под номером M71.9.10401 проекта в рамках программы исследований Института материалы инновации M2i, IDEEGO тки проекта доверие, проект PV OpMaat, финансируемых Программой приграничного сотрудничества Проект ИНТЕРРЕГ V Фландрия-Нидерланды при финансовой поддержке регионального развития и программу «zoekt Ondernemer Technologie» ТНО европейских фондов.

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

References

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).

Play Video

PDF

DOI

DOWNLOAD MATERIALS LIST

Cite This Article

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).

Automatically Generated