研究未包装的cd / CdTe太阳能电池的稳定性有不同的结构

文摘

在这部作品中,散装的CdTe太阳能电池的稳定性和不同的配置研究根据国际电工委员会IEC 61215 - 2016。热循环的测量从-40°C到+ 85°C和24小时温度循环从-40°C到+ 85°C承受20小时的影响渗透的85°C进行了cd / CdTe太阳能电池结构的FTO / cd / CdTe /非盟,FTO / cd / CdTe /接触/非盟,和FTO / MZO / cd / CdTe /接触/非盟,分别。这些细胞的表演在热老化前后实验研究通过使用光明与黑暗在一起 。结果显示不同的热老化前后性能下降与不同结构的细胞。在这些人中,最恶化设备是没有联系(BC),热循环后的效率下降了25.12%附带的一个明显的翻转现象在正向偏压大于开路电压。相反,减少效率与公元前大约16.80%的细胞,和翻转现象并非如此重要。此外,与优化前的设备接触FTO / MZO,热稳定性明显改善。有趣的是,短路电流密度与载体的浓度的细胞仍相对较小的变化而变化和填充因子。所有结果表明,一个有效的背接触层和一个优化前电极是必不可少的结构元素来实现高稳定在cd / CdTe太阳能电池。

1。介绍

研究太阳能电池的耐总是费时,昂贵,因此复杂。因此,有必要加快测试过程的稳定性和破坏机理研究太阳能电池在热循环下,这应该是预测的实际发展太阳能电池性能没有太长时间。这种技术是非常重要的为设备提供可靠的迹象太阳能电池的设计和稳定性优化。目前,国际电工委员会IEC 61215的资格测试- 2016和IEC 61583 (1),如视觉检查和热循环测试,适用于所有陆地平面板模块材料晶体硅和薄膜等模块。文献调查报告的降解率乔丹等人表示,资格测试非常成功地识别和消除模块类型,早期在他们的一生中遭受高降解率(2]。然而,稳定性测试实验表明,标准设备测试结果不能用于预测细胞产品的使用寿命3]。因此,必须优先考虑研究一个特定的因素导致衰老加速的新鲜细胞在实验室制作的。

CdTe薄膜太阳能电池引起了密集的研究兴趣,因为集团的直接带隙1.46 eV匹配太阳光谱和吸收系数的能量高达10⁵厘米¹意思可以吸收90%的可见光CdTe 1微米的厚度(4]。虽然CdTe转换效率太阳能电池用一个新的世界记录的22.1%已成功制造5),还有一些关键问题需要了解对设备性能的变化一般露天条件下操作,定义在IEC 60721-2-1。通常,失败的原因CdTe太阳能电池主要来自于功能材料和设备配置,特别是在厚度、颗粒边界和内部缺陷的电影(6- - - - - -9]。另一方面,太阳能电池的性能密切相关的属性包过程以及材料。例如,一个代表包装材料,粘合剂EVA(乙烯+ +醋酸乙烯),应该是对应于可能的失败,包括分层、空气泄漏,绝缘故障,和包损伤(10]。cd / CdTe制造太阳能电池包括至少4个不同的流程,具体包括碲化镉制备的高温过程,这意味着每一层的质量控制和接口的特点是至关重要的11,12]。因此,通过深入研究上述因素之间的相关性和设备性能在一定时间在指定的条件下,设备可能会被澄清的退化机制有效(11]。目前,各种方法已经开发研究碲化镉太阳能电池的稳定性,包括理论模拟和实际测试(13- - - - - -15]。例如,稳定实现不同程度使用light-soaking或dark-bias方法,以及现有的IEC 61646 light-soaking间隔可能适合CdTe模块(16]。

当前的标准测试是用来模拟模块在室外操作条件下的降解特性。然而,分解分析稳定性试验后打包模块将是极其困难的。因此,重要的是要制定短期实验方法来验证户外设备的性能的变化没有包,和这些方法的条件需要进行相应的调整,以避免不必要的损失,如湿度和绝缘测试。到目前为止,研究参与CdTe太阳能电池的稳定性在热循环中。热循环的变化从-40°C到+ 85°C,细胞将反复磨砂和解冻,导致一些复杂的热冲击对电池芯片的影响。研究未封装设备的稳定性通过选择标准的测试方面,应该有针对性的取舍,以避免引入更多的不确定性。在先前的研究中,我们发现,IEC热循环试验条件是适用于散装的CdTe太阳能电池在一定程度上。

基于上述分析,cd /集团的稳定分析了具有不同结构的太阳能电池根据国际标准IEC 61215 - 2016测试规范在这工作。这些结构被描述为以下:FTO / cd / CdTe /非盟对应样本1,FTO / cd / CdTe BC /非盟对应样品2,和FTO / MZO / cd / CdTe / BC /非盟对应样品3,分别。所有的cd / CdTe太阳能电池受到热循环测试 来 和24小时温度循环测试只有1周期 来 下一个常数相对湿度为85%。细胞与不同结构的稳定性调查后热实验用光明与黑暗和测试方法。

2。实验的程序

在这个工作中,cd / CdTe异质结薄膜太阳能电池具有不同结构组合如下:SnO₂:F (FTO)涂在商业电影眼镜常用在我们实验室被选为底物,和氧化锌:Mg利用磁控溅射技术制备FTO之间的一个可选的缓冲层和cd。50 nm厚的CdS薄膜沉积是利用化学浴沉积(CBD)技术在85°C,其次是CdTe薄膜的沉积(~ 5μ米)通过使用封闭空间升华为4分钟(CSS)方法。CSS室最初疏散的压力 Pa, 99.999%纯氩和99.999%的混合氧(氧气分压是8%)然后冲进室保持1 kPa的压力。空间从基质到来源是2毫米,同时和源和衬底加热到650°C和550°C,分别。后来,CdTe电影CdCl退火30分钟₂源在管式炉预热到380°C下1大气压的混合N₂+ O₂气体(体积比四:1)。然后,ZnTe:铜背接触层的沉积是利用真空热蒸发技术CdTe电影蚀刻后通过溴溴甲醇溶液的浓度为0.2% 4 s。ZnTe和铜粉末纯度高(99.999%)作为蒸发源与单独的坩埚。两个石英晶体显示器采用在线监测ZnTe和铜的沉积速率,分别。最后,单元细胞区域为0.5厘米²是通过沉淀用荫罩100 nm厚金电极。样品的结构示意图如图31。

老化测试包括热循环(从-40°C到+ 85°C具有不同周期)和24小时的温度循环周期从-40°C到+ 85°C,如图2根据IEC 61215 - 2016进行了通过使用一个气候室由香港詹科技有限公司有限公司的可编程温度控制器精度±2.0°C的连接与一个合适的温度传感器前面的代表细胞中间附近对循环里面的空气意味着改善温度场的均匀性,减少冷凝设备在测试期间。光CdTe太阳能电池的特点是由使用太阳能电池测试仪(Gsola XJCM-9)下AM1.5光强度的1000 W / m²和温度25°C根据IEC 60904 - 1和IEC TS 61836,又黑所有的太阳能电池的特点被安捷伦4155 c在室温下进行。与此同时,曲线获得室温下通过安捷伦4155测试1 MHz的频率和扫描偏差范围从1 V + 1.5 V。

3所示。结果与讨论

3.1。热循环

3.1.1。目视检查

在本节中,检查关注视觉缺陷,如扭曲、分层、气泡、划痕和污渍在细胞的照明不少于1000勒克斯在IEC 61215 - 1定义。图3显示检验的实现。演示前的设备性能,采用激光蚀刻和删除电影的边缘电极消除旁路设备的集合。由于相对较弱的金电极之间的附着力和ZnTe:铜电影、剥落在背电极的边缘通常发生在腐蚀过程中,标识为一个红色的圆图3(一个)。这一缺陷严重影响当前收集的电极,不能满足测试标准的规范,所以在后来的设备测试中,细胞与电极部分剥落被忽视了。没有其他缺陷如上所述电极的其他细胞被发现。图3 (b)显示细胞透过玻璃的一面,和一个统一的深黑色颜色没有红色或黄色,没有划痕,可以观察到或没有损失,也就是说,一个统一的和完整的细胞获得阴极。

3.1.2。光特征

加速热循环测试16日进行单元与指定结构的细胞从一个批处理来确定他们的能力能够承受热不匹配,疲劳,和其他压力造成的重复变化的温度,如图3。100年热循环后,5细胞样本1失败,失败的原因包括上述电极剥落。至于细胞样品2和样品3,每组2细胞的失败。的曲线代表细胞前后热循环如图4。注意,对细胞进行了热循环测量进行了1小时后的恢复时间23°C。

从图4翻转现象的开路电压附近的电流电压特性可以观察到样本1很明显,这是由于金属半导体接触障碍引起的nonohmic接触CdTe和非盟的功函数CdTe ~ 5.5 eV大于大多数的金属,包括金~ 5.1 eV,背面电极在这项工作17]。随着热的循环次数的增加,填充因子(FF),短路电流( ),和开路电压( )样品1的不断下降。100年热循环后,FF, ,和的细胞样本1下降了10.11%,5.90%,和11.48%,分别,最终导致退化在转换效率( )初始的25.13%如图5。附近没有翻转现象样品2和样品3被认为在数字4 (b)和4 (c)在照明。100年热循环后,FF, ,和样品2下降了8.2%、4.1%和5.6%,分别导致退化与初始的16.80%而相应的样本参数3减少了6.2%,7.1%,和0.1%,分别伴随着减少10.6%的转换效率。上述样品2和样品3的性能的变化,特别是在串联电阻,应该归功于一个好的回来联系ZnTe:铜集团和非盟之间可有效减少接触障碍,消除肖特基结的影响(18]。作为MZO层之间引入FTO和cd,样品3的最初的性能低于样品2。

在我们的其他工作,CdTe电池转换效率超过16%时取得的引入MZO作为优化缓冲层(19]。Kephart et al。报告,MZO已经完全取代了窗口层光盘,进一步优化结构(20.]。然而,在这个工作中,为了比较不同配置,设备的稳定性与功能层的厚度都相同,因此没有优化设备性能。有趣的是,样品3的稳定性优越,尤其反映在几乎不变100年之后热循环。然而,示例3退化相比是更严重的接近7.1%的样品2。这表明MZO吸收的光子应该进入cd / CdTe异质结和诱导额外FTO之间的障碍和cd,导致增加电子反射。

与此同时,变动远远小于其他参数的所有样品。在热循环,冷却过程将导致明显的少数载流子浓度下降,而随着温度的增加,短路电流增长适度由于接触性能的改善缓解之间的残余应力层细胞寿命的增加和扩散系数photogenerated运营商。此外,反向饱和电流增加大大增加热循环数据分析后,揭示热循环后,承运人的改变是不可逆转的。因此,细胞的电流电压曲线的变化是微不足道的,退化的地方相关的所有细胞超过10%不仅影响掺杂物的扩散,晶界的杂质,电迁移的带电原子,在热循环和自动补偿效应还与水蒸气环境中,将进入未封装的内部细胞造成相当大的损害cd / CdTe异质结(12]。

3.1.3。特征

如图6细胞的电容,非线性特征明显增加正向偏压大于0.3 V时,而电容附近的偏见增加时降低(0.8 V),它对应于一个反演区域。电容往往是饱和偏差小于0.3 V时,特别是在反向偏压,分配给一个积累。随着热的循环次数的增加,样品1和样品2的电容变化变得明显大于样本的3的变化密切相关结。CdTe薄膜太阳能电池的结构可以等同于一个板电容器,及其掺杂浓度等物理性质 ,耗尽区宽度 ,和内建电场可以解释的吗特征(21,22]。

耗尽层条件下的近似,势垒电容集团/ cd视为突然异质结被描述为以下几点: 在哪里是细胞区域,相对介电常数CdTe大约是9,真空介电常数是 F / m。简单地改变上述公式得到以下公式:

然后,区分上述公式:

和可以得到拟合直线的斜率和截距的一部分吗 曲线绘制在图的关系6在偏差范围的0.4 V ~ 0.6 V,分别。所有的值 , ,和被列在表1。

这些参数的样品1和样品2大大不同于样品3。的变化0.6 V的正向偏压作为一个例子,样本1增加了45.45%、23.63%和40.00%,25岁,50岁,分别和100年周期。与此同时,样品2和样品3增加了7.69%,27.69%,35.38%和-8.77%,3.50%,和3.50%,分别。这是值得注意的和减少样品的热循环后,增加的变化趋势和基本上是一样的和上面所描述的那样,分别,这意味着热冲击对少数载流子浓度有显著的影响和内部的电场强度异质结。

3.1.4。黑暗特征

暗电流非常小和相对不敏感的变化在一个偏差小于0.4 V,特别是在反向偏压下,而暗电流以指数增长的正向偏压超过0.4 V如图7。然而,在暗电流显著差异变化的细胞有不同的配置可以观察到明显热循环数的函数。正向偏压大于0.4 V时,样品1的暗电流上升迅速,拐点定义为偏差0.6 V左右翻转现象。随着热的循环次数的增加,翻转现象越来越明显。然而,暗电流的变化示例2还是小偏差关闭0.6 V,电流和没有翻转现象可以观察到即使偏见增加到0.8 V。示例3,当前增长了0.6 V附近一定的振幅,但一个非常小的拐点可以感知偏差超过0.7 V。此外,提出了一种相对明显的翻转现象后热的循环次数增加到100倍。

上述变化可能被使用的电流电压方程分析了理想在黑暗中结状态描述如下: 在哪里是黑暗的反向饱和电流,是玻尔兹曼常数,被定义为二极管理想因子代表扩散和重组现有组件,串联电阻,分流电阻,在这工作吗是298 K。在热循环之前,在表中列出的所有样品大约是2.01,表明结电流主要是由复合电流(23,24]。100次热循环后,示例1增加到5.76,表明承运人运输改变了热电子发射机制。黑暗的反向饱和电流密度样本1增加了3个数量级,样品2和样品3增加了321%和29%,分别,这意味着cd / CdTe异质结在某种程度上被摧毁。暗电流的进化是由于不同的势垒高度暴露的变化在细胞的接口25]。在这种情况下,运营商需要额外的能量来“爬”障碍,导致电子的数量明显下降,到达后电极的热电子发射机制。此外,当一个背接触层引入设备,如图7 (b)示例2的翻转现象很压抑。而引入MZO FTO和cd之间的缓冲层,样品3的仍然是一个相对小的变化随着热循环的循环次数的增加,但略微翻转现象可以认为,这是由于增加了MZO所致。这些结论与上面讨论的结果一致。

3.2。24小时温度循环

24小时温度循环测试(1周期从-40°C到+ 85°C)样品进行了上述结构,命名为样本1、2和3,分别来自光的参数这些样本曲线列在表中2。24小时温度循环后,FF, , ,和样本1下降了6.2%,1.8%,9.5%,和16.7%,分别和相应的参数的样品2和样品3减少了6.1%,1.3%,4.9%,12.0%,5.6%,1.4%,2.5%,和9.1%,分别。相比所有样本,其他参数的变化的变化非常薄弱。样品3的参数变化符合上面的热循环实验的结果。这进一步证实背接触层的稳定性是至关重要的cd / CdTe太阳能电池电极和复合前也可能有利于提高细胞的稳定性。

4所示。结论

总之,热冲击的影响,根据IEC标准未封装CdTe太阳能电池的稳定性,分析了不同的结构,电池性能下降的原因进行了讨论。实验结果表明,参数的变化有显著差异在不同老化条件下的细胞。细胞的主要结cd / CdTe毁于缺乏缓冲层接近正面和背面电极。因此,细胞结构的FTO / MZO / cd / CdTe BC /非盟演示了一个优化稳定在太阳能电池有不同的配置,这意味着一个高效背接触层和复合前电极是必不可少的结构元素来实现高稳定的cd / CdTe太阳能电池。然而,测试结果也暴露前电极之间的缓冲层的引入和cd是一个辩证的考虑。这些结论不仅有利于研究CdTe太阳能电池稳定性还提供一定的实验依据的标准测试和户外应用程序CdTe太阳能电池。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

确认

作者将承认科技项目支持的四川省人力资源和社会保障部门,School-Enterprise合作项目(17 h0242)支持的滁州集市智能新材料科技有限公司,有限公司,8^th新世纪高等教育教学改革研究项目四川大学的质量和高等教育教学改革项目四川人才从2018年到2020年,中央大学和基础研究基金。

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