Технология визуализации для анализа субэлементов в фотоэлектрических устройствах с тандемным и тройным соединением
Аккумулятор FIAMM 12FGL42
Команда из Fraunhofer ISE разработала новые методы визуализации для измерения потерь в отдельных элементах солнечных элементов с несколькими переходами на основе комбинаций перовскит-кремний и перовскит-перовскит-кремний.
Визуализация структуры солнечного элемента с тройным переходом.
Исследователи из Института систем солнечной энергии им. Фраунгофера (Fraunhofer ISE) в Германии разработали новые методы визуализации для измерения потерь в отдельных субэлементах тандемных устройств на основе перовскита и кремния и тройных устройств на основе перовскита, перовскита и кремния.
Исследовательская группа отметила растущую потребность в возможности измерять электрические и тепловые эффекты новых функциональных материалов для многопереходных солнечных элементов и методов их нанесения на уровне отдельных субэлементов без прямого электрического доступа.
Он был особенно востребован при производстве солнечных элементов с двойным перовскитно-кремниевым переходом и тройным перовскитно-перовскитно-кремниевым переходом.
«Мы пришли к выводу, что существующие методы определения электрических потерь не являются удовлетворительными, поскольку они либо снижают скорость измерения, либо оптимизированы только для однопереходных солнечных элементов, либо не могут справиться с метастабильностью перовскитов», — рассказал журналу PV Оливер Фишер, автор двух недавних статей на эту тему.
В статье «Выявление потерь при переносе носителей заряда и селективности в тандемных солнечных элементах на основе перовскита и кремния», опубликованной в Matter, международная исследовательская группа под руководством команды Fraunhofer ISE сообщила о методах измерения напряжения холостого хода (Suns-Voc) и интенсивности фотолюминесценции (Suns-PLI), которые были специально адаптированы для тандемных солнечных элементов на основе перовскита и кремния.
В более поздней статье «Анализ потерь на основе визуализации для солнечных элементов с тройным переходом перовскит/перовскит/кремний», опубликованной в журнале Solar Energy Materials and Solar Cells, подробно описаны методы измерения для отдельных субэлементов в солнечных элементах с тройным переходом.
«Мы исследовали электрические потери в отдельных субъэлементах несколькими способами. Термография с подсветкой (ILIT) позволила нам определить, в каких субъэлементах возникают шунты. Электролюминесцентная визуализация (EL), которая позволяет избирательно воздействовать на субъэлементы с помощью соответствующих оптических фильтров перед камерой, даёт нам много информации о вводе и выводе носителей заряда. Это позволяет нам оценить качество слоёв переноса электронов и дырок», — объяснил Фишер.
В более раннем исследовании были подробно описаны методы визуализации Suns-Voc и Suns-PL, адаптированные для тандемных солнечных элементов на основе перовскита и кремния. Согласно статье, измерение кривых IV на основе метода Suns-PLI позволяет более точно определить локальное происхождение электрических потерь, чем другие измерения на основе пространственно усреднённой люминесценции. С помощью метода визуализации можно определить коэффициент заполнения для каждой субячейки и для всего тандема как в среднем, так и с пространственным разрешением.
Согласно статье, в сочетании с измерениями Suns-Voc с разрешением на уровне субъячеек эти два метода подходят для определения потерь селективности, а также резистивных потерь.
«Обе потери важно отслеживать и на производственной линии. Таким образом, мы видим потенциал в применении этого метода для обеспечения качества как на поточном производстве, так и в научно-исследовательских лабораториях», — сказал Фишер.
Для анализа солнечных элементов с тройным переходом использовалась комбинация люминесцентной визуализации (EL/PL) и синхронной термографии для определения «боковой однородности различных слоёв, внутреннего напряжения субэлементов и расположения шунтов», как указано в соответствующей статье.
«Самым важным было возможность обнаруживать шунты, оценивать однородность нанесённых слоёв и количественно определять предполагаемое напряжение холостого хода в каждой ячейке», — сказал Фишер.
В методе EL-визуализации используются оптические фильтры, соответствующие диапазону пропускания субъячеек, для получения данных о вводе и выводе носителей заряда, что позволяет оценить качество слоев переноса электронов и дырок.
«Количественная фотолюминесцентная визуализация, в свою очередь, позволяет определить напряжение холостого хода в каждой субъединице», — сказал Фишер.
Термография с подсветкой (ILIT) использовалась для определения происхождения шунтов в отдельных субэлементах. Термография ILIT и с закрытой подсветкой (DLIT) обычно обнаруживают дальнее инфракрасное излучение (ИК), испускаемое участками солнечных элементов с повышенной безызлучательной рекомбинацией. Согласно исследованию, когда вместо двух субэлементов имеется три, к системе измерения ILIT добавляется третий источник света.
Чтобы продемонстрировать эффективность методов, команда измерила влияние пассивирующего агента на iVoc в верхней ячейке перовскита с широкой запрещённой зоной (WBG) и последующее воздействие света на солнечные элементы с тройным переходом и активной площадью 1 см2. На основе iVoc для отдельных субъячеек были определены небольшие отклонения в нижней и средней ячейках.
Команда отметила, что после пассивации верхняя ячейка перовскитного фотоэлемента WBG показала улучшение iVoc на 42 мВ. Поскольку это значение значительно превышает общий прирост iVoc, оставшееся улучшение Voc можно объяснить снижением потерь селективности после пассивации верхней ячейки. Дальнейший анализ может помочь выявить проблемы, связанные с процессом пассивации.
Кроме того, во время процедуры вымачивания в светлом растворе исследователи изучали временную эволюцию Voc, а также iVoc субъединиц, что позволило получить представление о временных изменениях в потере селективности.
По словам Фишера, эти новые методы визуализации применимы к другим технологиям тандемных и тройных соединений без каких-либо ограничений, в том числе к солнечным элементам на основе соединений III-V для использования в космосе.
Измерения методом термографии с привязкой к местности проводились с использованием оборудования немецкой компании Ircam GmbH. Измерения методом люминесцентной визуализации проводились с использованием Tandem Modulum, поставляемого немецкой компанией Intego GmbH, с источниками возбуждающего света, адаптированными под пиковые длины волн, и оптическими фильтрами, подобранными под диапазон пропускания. Фишер отметил, что прибор был изначально разработан в Институте Фраунгофера ISE.