In Situ Monitoreo de la degradación de rendimiento acelerado de células solares y módulos: un estudio de caso para celdas solares de Cu (In, Ga) Se₂

Nota: Los apartados 1 y 3 son específicos para las pruebas de degradación de CIGS y CZTS células solares mediante este procedimiento, pero todos los otros tipos de células solares (e.g., perovskitas, PV orgánico y silicio cristalino) se o pondrá a prueba con estas configuraciones. Cabe señalar que para cada tipo de dispositivo y la geometría, debe diseñarse un sostenedor de la muestra. Estos soportes deben tener contactos no corrosivo para evitar la degradación del contacto, ya que esto oscurecería los efectos de la degradación del dispositivo. Por otra parte, se aconseja ponerse en contacto con las muestras en una configuración de cuatro puntos de sonda, para evitar que la medición de los resultados de contactos corroídos o cables en el sistema de medición. 1. preparación de células solares CIGS Utilizar guantes en todas las etapas del Protocolo de manejo de las células solares: protección contra los elementos tóxicos, pero también para evitar la deposición de materiales no deseados, como la sal de cocina (NaCl), en las muestras. Cortar un 1 mm x 100 mm x 100 muestra de vidrio de cal sodada (SLG) mm cuatro de 100 mm x 25 mm tiras rectangulares con una pluma de cortador o diamante de cristal para preparar sustratos apropiados. Coloque la muestra SLG en un recubridor sputter. Depositar el molibdeno de 0.5 μm espesor contacto posterior por corriente directa (DC) pulverización a temperatura ambiente en los substratos de vidrio23. Elegir entre varias secuencias de la pila, como una sola capa, una bicapa y una pila de multijugador. Por ejemplo, depositar una bicapa con una inicial alta pulverización a presión (por ejemplo, 0,03 mbar) seguido de una presión más baja de la farfulla (p. ej., 0.003 mbar) a densidades de potencia de 1 a 5 W/cm2. Preparar una solución de grabado de pistas de 1 M NaOH y 0,3 M K3Fe(CN)624. Electroquímicamente grabado una franja de 6 mm de molibdeno para un contacto posterior con el depósito.Nota: De esta manera, la célula solar tiene un área bien definida, sin célula solar áreas cubiertas por los contactos de oro, que aún en parte pueden contribuir a los parámetros eléctricos. Colocar la muestra en una cámara de vacío y depósito 2 μm CIGS amortiguador capa mediante un proceso de coevaporation bajo una atmósfera de cobre, indio, galio y selenio25. Por ejemplo, sustrato típico temperaturas de 550 a 600 ° C y seguir el proceso de deposición de tres etapas, la primera formación (In, Ga)2Se3 por evaporación de indio, galio y selenio, seguido por la formación de un CIGS cobre rico debido a la adición de grandes cantidades de cobre. Apague el evaporador de cobre para formar el amortiguador CIGS cobre pobres requerido en la tercera etapa. Alternativamente, utilice una deposición de dos etapas a presión atmosférica de un proceso de bajo costo. Realizar CuInGa deposición, ya sea por vacío, pulverización catódica o por deposición electroquímica de presión atmosférica. Siga por selenization bajo una atmósfera de selenio elemental26 en un horno de selenization movimiento de la correa. Coloque la muestra en un baño químico y depósito el búfer de CD por una “deposición química del baño” proceso (CDB) con un espesor de 50 nm27. Normalmente se utiliza una solución de base de agua de NH4OH, CdSO4y tiourea (NH2CSNH2) a una temperatura de ~ 70° C. Coloque la muestra en una herramienta de pulverización y depósito i-ZnO / contacto frontal de ZnO por Radio frecuencia (RF) de la farfulla de i-ZnO y ZnO objetivos con espesores de respectivamente 50 nm y 800-1.000 nm28. Para ZnO i uso una capa de un blanco puro de ZnO y ZnO cerámica blanco con 2% Al2O3 de la capa de ZnO. Deposición de temperaturas entre temperatura ambiente y 200 ° C. Evite el uso de una rejilla metálica conductora en el electrodo superior, ya no se utiliza en los módulos comerciales. Por lo tanto, usar esta capa de ZnO gruesa para permitir suficiente conductividad en estas células que imitan un diseño del módulo. Raspe cuidadosamente lejos una franja de 14 mm (en el lado opuesto del grabado en el paso 1.4) de la célula solar con un cuchillo. Haciendo uso de la diferencia en la dureza de las capas, eliminar sólo las capas superiores (ZnO / i-ZnO/CdS/CIGS) y el molibdeno contacto posterior intacta. Forma de células solares con una anchura de 5 mm, similar a la anchura de una celda en un módulo. Coloque la muestra en una herramienta farfulla oro y cubrirla con una raya en el medio como una máscara, para que ningún oro se deposita en la célula solar. Depósito oro contactos de ~ 60 grueso nm por pulverización a temperatura ambiente en el contacto trasero (molibdeno) y el contacto frontal (ZnO) para permitir el contacto de las células.Nota: El uso de un contacto de un metal noble permite la exposición a largo plazo de las muestras a condiciones duras sin degradación de los contactos, por lo que se puede estudiar la degradación de la célula. Cortar las tiras con un cortador de vidrio o una pluma de diamante en muestras ancho 7 mm, que ahora tiene una superficie de la célula de ~ 7 x 5 mm y un tamaño total de 7 mm x 25 mm (figura 2).Nota: Una representación esquemática de la sección transversal, así como una imagen de microscopía de una célula se muestra en la figura 2. Para los experimentos con células solares CZTS, un procedimiento diferente de la deposición de la capa de amortiguador activo (CZTS) se ha seguido (similar a la referencia29), mientras que todas las demás capas se depositaron siguiendo un procedimiento análogo. Figura 2 : Diseño de la muestra de CIGS. (top) Representación esquemática de la sección transversal de una muestra CIGS y muestra (abajo) una imagen de microscopio de un CIGS tomada desde la parte superior. Esta figura se ha modificado en parte de referencias14,30. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura. 2. Análisis de las células solares antes de la degradación Medir el ex situ actual voltaje (IV) rendimiento de las células solares bajo condiciones de prueba estándar (STC, iluminación: 1000 W/m² y AM 1.5, temperatura: 25 ° C) en una configuración de la sonda de cuatro puntos para determinar los parámetros eléctricos con un IV probador. Medir la eficiencia cuántica externa (EQE) para la exacta densidad de corriente y longitud de onda de absorción dependiente30,31 con una configuración de respuesta espectral (SR) y calcular la densidad de corriente exacta. Grabar el iluminado cerradura-en termografía (ILIT) mapeo de31 y la fotoluminiscencia (PL) asignación31 con un gran aumento y tomar imágenes (microscopia) para identificar cualquier defecto visual y lateral. Coloque la muestra en un dispositivo ILIT con detector de calor con una lente de 15 μm para alta magnificación y una fuente de iluminación IR. Iluminar la muestra y registrar la diferencia espacial de temperatura para identificar los lugares calientes. Coloque la muestra en una configuración de mapeo PL para obtener una imagen espacial de la fotoluminiscencia. Utilice una fuente de luz de LED de alta potencia para iluminación y una cámara CCD para la detección de datos.Nota: Los ejemplos se pueden encontrar en referencias15,16,20,30. Seleccione un número de células solares para el experimento de degradación, colocando el resto de las muestras en una guantera de argón como referencia. Seleccionar un conjunto mixto de células solares como referencia y como muestras experimentales, por lo que cualquier diferencia en las diapositivas completas (por ejemplo, gradientes en la composición) en la misma gravedad en el experimento y las muestras de referencia.Nota: Esto puede significar por ejemplo que las células con las posiciones 1, 3, 4, 5, 7 y 8 en las diapositivas son células experimentales, mientras que las posiciones 2 y 6 son celdas de referencia. 3. colocación de las células solares en portamuestras Coloque las células solares en los titulares que no cualquier sombra en las células y hacer que el contacto entre el oro frente y espaldas contactos y clavijas de medición de la muestra.Nota: Los portamuestras diseñados específicamente para soportar las duras condiciones en las pruebas de clima. Por otra parte, están construidos de materiales que sólo tienen una limitada emisión de gases. Coloque el portamuestras en la gradilla de muestras dentro de la configuración de la CSI, que permite contacto eléctrico entre las células solares y las herramientas de medición fuera de la instalación. Coloque la rejilla de la muestra en la posición dedicadoa, donde se ilumina por una AM 1.5 luz fuente.Nota: Las especificaciones de la fuente de luz son las siguientes. CSI1: área 40 cm x 40 cm, 1.000 W/m2, iluminación BAA calibrado; CSI2: 100 x 100 cm2 area 1.000 W/m2, iluminación AAA calibrado, calibraciones según IEC60904-9:200732. 4. ejecución del experimento de degradación Interruptor en el simulador solar, los instrumentos de medición, la cámara de clima y el ordenador. Programa el equipo de medición, que controla el simulador solar eléctricos sesgos y ajustes de la cámara de clima. Definir rango de tensión, medidas de tensión, secuencia de medición y tiempo entre las mediciones en el software de medición IV y definir la temperatura, humedad, voltaje de bias y perfiles de iluminación en el software.Nota: Deje que este software dirigir las mediciones durante el experimento completo. Configuración típica para las mediciones de IV, uso de voltaje en el rango -0.2 V a + 1,0 V en 120 pasos (0,01 V/paso). Tenga en cuenta que en la mayoría de los casos, el sistema alterna entre las mediciones de IV de todas las muestras y pausas de unos 5 minutos. Estabilizar la temperatura de la cámara de clima y de las células solares en la instalación. Observar la temperatura de la muestra en el software.Nota: Una temperatura típica para las células solares es de 25 ° C, que es la temperatura STC. Puesto que la iluminación se calienta con las muestras, la temperatura de la muestra siempre es mayor que la cámara circundante. Temperaturas típicas a partir de la cámara de clima-10 ° C a + 5 ° C (+ 5 ° C de temperatura de cámara por ejemplo puede llevar a las temperaturas de muestra CIGS de 25 ° C). Si se seleccionan otras composiciones o diseños de muestra, pueden requerirse otras temperaturas de la cámara para obtener la temperatura de la muestra de 25 ° C. La cámara de clima de calor lentamente hasta alcanzar 85 ° C, por ejemplo en el 0.1-0.3 ° C/min leer la temperatura de la cámara de la computadora de la cámara de clima y leer la temperatura de la muestra desde el software.Nota: Las temperaturas de muestras típicas son entonces entre 100 ° C y 110 ° C cuando la cámara es de 85 ° C. Estos valores varían entre las muestras y están especialmente influenciados por el tipo de sustrato, el diseño de muestra, material y la célula solar. Durante esta etapa, las células están en condiciones de circuito abierto cuando no son medidos, se indique diferentemente. Si la influencia de cualquier sesgo de voltaje interno durante la fase de calentamiento tiene que ser excluido, la iluminación también puede ser apagado durante esta etapa. Para CSI1, fije un termopar individual a todas las células individuales para medir la temperatura, mientras que en uso de CSI2 15 termopares 32 muestras. Grabar y registrar las temperaturas individuales. Medir automáticamente las curvas tensión corriente de las células solares uno por uno durante el calentamiento, que significa que son determinadas cada 0.5 a varios minutos, dependiendo del número de muestras. Observar los parámetros eléctricos en el software. Calcular los parámetros eléctricos de las curvas de tensión actual. Siempre determinar la eficacia, voltaje de circuito abierto, densidad de corriente de corto circuito, factor de llenado, resistencia en serie y la resistencia de la desviación. Determinar las resistencias de las pistas en el extremo de las curvas de tensión actual. Si es necesario, también determinar el factor de idealidad, la densidad de corriente de saturación y la densidad de corriente de foto montaje con el modelo de un diodo14.Nota: Sin embargo, tenga en cuenta que estos procedimientos de instalación son relativamente confiables para degradados de las células solares que no se comportan como diodos ideales. La eficacia medida por estas temperaturas elevadas será inferior bajo STC, que es sobre todo visible en una disminución en el voltaje de circuito abierto13. Encienda la humedad en la cámara climática, un estándar es una humedad relativa (HR) 85%. Esto es generalmente el punto de partida del experimento (t = 0 h). Observar el derecho desde el ordenador de la cámara de clima.Nota: La humedad relativa de muestra real es menor que el valor ajustado. Esto es causado por el hecho de que la temperatura de la muestra es superior a 85 ° C, mientras que la humedad absoluta es la misma: puesto que la humedad relativa es función de la temperatura, este valor es inferior a 85% RH33. Dejar las muestras en las configuraciones de la CSI para 100s a 1,000s de horas, mientras que las curvas tensión corriente de medición. Medir las curvas cada 5 a 10 minutos, pero esto varía en demanda. Observar los parámetros eléctricos en el software. En el tiempo restante, mantener las muestras ya sea bajo condiciones de circuito abierto (condiciones estándar) o colocarlas bajo varios sesgos eléctricas con el uso de cargas eléctricas, varía de -20 V a 20 V. En el caso de una modificación de la tendencia eléctrica se requiere durante el experimento, cambiar el valor del software tracer.Nota: Configuración ‘Estándar’ es el punto de máxima potencia (MPP) condiciones (el voltaje de operación corriente de una célula solar), condiciones de corto circuito y condiciones con una tensión negativa limitada. Utilizar este último para simular el sombreado parcial módulo. Para saber más sobre las muestras después de diferentes tiempos de exposición, retire un número limitado de muestras en los soportes de la muestra la configuración antes que los demás. Ejecutar esto bajo iluminación y en forma muy rápida con el fin de minimizar la influencia de las muestras restantes. Esto naturalmente sólo es posible para pequeñas muestras. Al final del experimento, enfriar lentamente la cámara a temperatura ambiente en un par de horas y retire las muestras junto con sus titulares de la muestra. Observar la temperatura de la computadora de la cámara de clima.Nota: También es posible utilizar otras intensidades de luz (p. ej., 800 W/m2 o luz ultravioleta), mientras que la humedad y temperatura naturalmente también se puede variar. En ese caso, los parámetros eléctricos obtenidos deben ser corregidos por la diferente intensidad de luz. Se ha observado que cambios inesperados en los parámetros eléctricos se produjeron cuando las células solares CIGS fueron poco (por ejemplo, 15 min) no iluminadas (y con la fuente de iluminación). Si este efecto no es el objetivo del estudio, se recomienda dejar la iluminación continua14. 5. Análisis de los degradados y las células de referencia Trazar el desarrollo de los parámetros eléctricos en función del tiempo de exposición en las configuraciones de la degradación. Repita las mediciones ex situ IV de las células solares degradadas directamente después de que las muestras se extraen de las configuraciones para obtener los parámetros eléctricos en STC. Repita las mediciones de eficiencia cuántica externa para la densidad de corriente exacta y dependiente de la longitud de onda de absorción. Grabar otra vez el mapeo de iluminada la termografía lock-in y la asignación de fotoluminiscencia y tomar fotografías (microscopia) para identificar cualquier cambio en defectos visuales y lateral. Utilizar la misma configuración que antes de la degradación. Utilizar otras técnicas de análisis, como (sección transversal) microscopio electrónico de barrido de energía dispersiva de rayos x espectroscopia (SEM-EDX)31,31de la difracción de rayos x (DRX), espectroscopia de masa de iones secundarios (SIMS)31y temperatura dependientes de voltaje actual (IV(T))31 para identificar los mecanismos de falla. Ejecutar estos análisis destructivos en ambos degradados y referencia de las muestras a observar los cambios debido a la exposición en las configuraciones de la CSI. 6. definición de los modos y mecanismos de degradación Combinar todos los datos para definir mecanismos de degradación y su impacto en la estabilidad a largo plazo de las células solares o módulos.