Development of visualization and quantification techniques of local material failures in PV

Language
en
Document Type
Doctoral Thesis
Issue Date
2020-10-19
Issue Year
2020
Authors
Hepp, Johannes
Editor
Abstract

In the course of this study two topics in the field of optical quality control of thin film PV have been investigated and novel measurement methods have been introduced. The measurement approaches aim to support the improvement of PV efficiencies as well as to maintain and predict its performance over a long lifetime. The first method presented characterizes the CIGS absorber layer’s quality and its resulting electrical parameters, especially the device’s Voc. The individual influences of the material composition, and the local defects on the Voc were spatially studied. For that reason, a multitude of different sized thin film PV samples were examined using luminescence spectroscopy and lock-in IR imaging. The emitted luminescence peak wavelength (λpeak) can be correlated linearly to the Voc as long as the measured samples are unaffected by locale defects. Furthermore, a connection between the number and severity of local defects and the decrease in Voc could be shown. This effect can be quantified by the IR parameter (IRP) when using IR thermography. The illumination intensity (G) at which the Voc is measured is of crucial importance when weighing the two influencing factors λpeak and IRP against each other. While at a high G both factors play an equal role at weak light conditions the effect of the local defects is dominates the outcome of the Voc. Furthermore, a semi-empirical equation was deduced which calculates the Voc as a function of the λpeak, the IRP and the G. This enables us to calculate the Voc at any given material composition, level of defectiveness, and lighting condition. Beside the Voc further electrical PV parameters were analyzed in order to get a comprehensive impression of the performance. On the journey to the η, the FF plays a key role, which could also be forecast for low and medium G. At high G the Rs also needs to be taken into account. Moreover, a measurement technique was developed in order to visualize tiny amounts of water within encapsulations. In the process the investigated sample is irradiated by an areal IR radiator. Additionally, the radiation transmits through an optical BP filter before it gets detected by an IR camera. This special filter absorbs all wavelengths which are beyond the absorption peak of water. This spectral limitation enhances the sensitivity of the setup. Hence, the local absorption of water in the encapsulation can be spatially resolved. Further images are taken in order to compensate for external influences on the measurement. An image of the beam profile without the sample in the radiation path is important. It serves as a correction for the beam’s inhomogeneity in intensity. In order to account for the barrier material’s absorption an additional image of the sample in its initial water-free state is required. Supplementally, the optical degradation of the encapsulation can be estimated. For this purpose further images are taken with a second BP filter as reference. Finally, the comparison with the complementary FEM simulations enables the determination of the diffusion coefficient (D) of water in the examined material. Furthermore, this method can be applied for the detection of other fluids. The BP filter merely needs to be adapted to the spectral properties of the investigated fluid. All in all, the application of these optical measurement techniques has the potential to greatly benefit the ongoing investigation, improvement, and performance predictions of PV devices. Hopefully, we can realize the transition towards a future which relays exclusively on renewable energies.

Abstract

Der stetig wachsende Energiebedarf kombiniert mit der begrenzten Verfügbarkeit und dem negativen Umwelteinfluss der konventionellen Energiequellen drängt uns zu schnellem und entschlossenem Handeln. Der Ausbau erneuerbarer Energien, wie z.B. Photovoltaik, muss sowohl wissenschaftlich als auch wirtschaftlich vorangetrieben werden. Eine erfolgreiche Technologie in diesem Feld lässt sich im Wesentlichen durch einen hohen Umwandlungswirkungsgrad, eine lange Lebensdauer sowie niedrige anfallenden Kosten bewerten. Sowohl die fortschreitende Weiterentwicklung eines Herstellungsprozesses als auch die Qualität des resultierenden Produktes sollte hierbei von optischen Messmethoden überwacht und geprüft werden. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit eben solchen spektralen und bildgebenden Messverfahren zum Zweck der Qualitätskontrolle an Dünnschichtphotovoltaik. Zwei Aufgabenstellungen werden im Detail vorgestellt. Zum einen wurden die individuellen Einflüsse der Materialzusammensetzung, sowie der lokalen Defekte auf die Leerlaufspannung räumlich aufgelöst untersucht. Zu diesem Zweck wurden eine Vielzahl von spektralen sowie bildgebenden Infrarotmessungen an unterschiedlich großen Dünnschichtphotovoltaikproben vorgenommen. Die emittierte Lumineszenzwellenlänge weist eine lineare Korrelation zur Leerlaufspannung auf, solange die geprüfte Probe nicht zusätzlich durch lokale Defekte beeinflusst ist. Darüber hinaus besteht ein klarer Zusammenhang zwischen lokalen Defekten und der Abnahme der Leerlaufspannung. Die Auswirkung der lokalen Defekte kann mittels Infrarotthermographie quantifiziert werden. Von entscheidender Bedeutung für die Gewichtung der zwei Einflussfaktoren ist hierbei die Beleuchtungsstärke, bei der die Leerlaufspannung elektrisch gemessen wurde. Während bei starker Beleuchtung beide Faktoren eine vergleichbar große Rolle spielen, dominiert bei niedrigeren Beleuchtungsstärken die Wirkung der Defekte über die resultierende Leerlaufspannung. Zudem wurde eine semi-empirische Formel erarbeitet, welche die Leerlaufspannung als Funktion der Materialzusammensetzung, der lokalen Defekte und der Beleuchtungsstärke darstellt. Neben der Leerlaufspannung werden zudem noch weitere elektrische Parameter der Photovoltaik analysiert, um so einen möglichst umfassenden Eindruck der Performance zu erhalten. Zum anderen wurde ein Verfahren zur Visualisierung geringer Mengen von Wasser in Verkapselungen entwickelt. Hierbei wird die zu untersuchende Probe von einem flächigen Infrarotstrahler durchleuchtet. Darüber hinaus passiert die transmittierte Strahlung einen optischen Bandpassfilter, bevor sie von einer Infrarotkamera erfasst wird. Dieser spezielle Filter absorbiert Strahlung aller Wellenlängen die außerhalb des Absorptionspeaks von Wasser liegen. Diese spektrale Eingrenzung erhöht die Sensitivität des Messaufbaus. Auf diese Weise kann die lokale Absorption des Wassers in der Verkapselung räumlich aufgelöst werden. Weitere Bilder werden aufgenommen, um externe Einflüsse auf die Messung zu korrigieren. Wichtig ist hierbei ein Bild der Lichtquelle ohne Probe im Strahlengang. Dieses dient als Kompensation der Intensitätsinhomogenität des Strahlungsprofils. Um die Absorption des Verkapselungsmaterials abzuziehen, ist zudem eine Aufnahme der Probe im Initialzustand ohne Wasser nötig. Zusätzlich kann auch die optische Alterung des Verkapselungsmaterials abgeschätzt werden. Zu diesem Zweck werden Bilder mit einem weiteren Bandpassfilter als Referenz erstellt. Der Vergleich mit den ergänzend durchgeführten Simulationen ermöglicht die Bestimmung des Diffusionskoeffizienten von Wasser in dem geprüften Material. Außerdem kann diese Methode auch für andere Fluide angewandt werden. Lediglich der Bandpassfilter muss auf die spektralen Eigenschaften der zu untersuchenden Flüssigkeit angepasst werden.

DOI
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