Messung hochkapazitiver PV- Bauelemente

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1 Messung hochkapazitiver PV- Bauelemente TÜV Workshop Photovoltaik-Modultechnik, Köln 2015 K. Ramspeck, S. Schenk, A. Metz und M. Meixner h.a.l.m. elektronik gmbh 2014

2 Motivation Gemessener Wirkungsgrad hocheffizienter photovoltaischer Bauelemente hängt stark von der Dauer der Messung ab

3 Übersicht Hintergrundwissen - Ursache der Kapazität von photovoltaischen Bauelementen Der Einfluss der Kapazität auf die Kennlinienmessung Methoden zur Messung hochkapazitiver PV-Bauelemente eine Übersicht Advanced hysteresis eine universell einsetzbare h.a.l.m. Lösung zur präzisen elektrischen Charakterisierung hochkapazitiver photovoltaischer Bauelemente

4 Hintergrundwissen - Ursache der Kapazität von photovoltaischen Bauelementen Leitungsband Fermi Niveau Thermisch angeregte Elektronen als Minoritätsladungsträger P-dotiertes Silizium im Gleichgewicht, das Valenzband enthält eine Anzahl Löcher auf Grund der Dotierung Entsprechend der Fermiverteilung befinden sich nur wenige thermisch angeregte Elektronen im Leitungsband Löcher als Majoritätsladungsträger in p-typ Silizium Valenzband

5 Hintergrundwissen - Ursache der Kapazität von photovoltaischen Bauelementen Leitungsband Fermi Niveau Leitungsband hν > E g Fermi Niveau Valenzband Durch Absorption eines Photons erzeugte Überschussladungsträger Nach einschalten der Beleuchtung werden Überschussladungsträger erzeugt Löcher als Majoritätsladungsträger in p-typ Silizium Valenzband

6 Hintergrundwissen - Ursache der Kapazität von photovoltaischen Bauelementen Fermi Niveau Leitungsband hν > E g Fermi Niveau Valenzband Löcher als Majoritätsladungsträger in p-typ Silizium Defect level Leitungsband Valenzband Gleichgewicht: G = U Generationsrate entspricht Rekombinationsrate τ = n / U P-dotiertes Silizium im Gleichgewicht (beleuchtet) Durch Absorption eines Photons erzeugte Überschussladungsträger Rekombination (strahlend, Auger, Defekte) n ~ Q ~ C diff n ~ exp(v/v t ) n Überschussladungsträgerdichte τ Ladungsträgerlebensdauer Q erzeugte Überschussladung C diff Diffusionskapazität V Aufspaltung der Fermi Niveaus

7 Der Einfluss der Kapazität auf die Kennlinienmessung Der Ladestrom der Zellkapazität reduziert den von der Zelle bereitgestellten Strom Sättigung des Ladestroms der Kapazität resultiert aus Annahmen bezüglich Kabel und Lastfahrt Die Kapazität ist eine Materialeigenschaft ihr Einfluss auf die Messung kann nicht einfach vermieden werden Lange Messzeiten oder Workaround benötigt um den kapazitiven Effekt in der Messung zu kompensieren

8 Unterschiedliche Ansätze für eine präzise Messung Steady-state- oder Langpulssimulatoren (Steady-State mit shutter, LED basiert, Hybrid) Vergleich von Hell- und Dunkelkennlinien* Dynamic IV** Methode mit konstanter Minoritätsladungsträgerdichte*** Advanced Hysteresis**** *H. Kojima et al. Proc. Of the 29th EU-PVSEC, Hamburg, 2014 **C. Monokroussos; US A1; Patent application ***R. Sinton; US A1; Patent Application ****K. Ramspeck et al. Proc. Of the 29th EU-PVSEC, Hamburg, 2014

9 Steady-state Lösungen und ihre Limitierungen Benötigen sehr lange Messzeiten (bis hin zu mehreren Sekunden) Lange Festhaltezeiten kein hoher Durchsatz in Zellproduktionen möglich Zellerwärmung wird ein Thema (about 2 K/s) Stabilisierung der Lichtintensität kritisch Hohe Kosten und Verbrauchsmaterialien

10 Dunkel-Hell-Kennlinien Vergleich Messung einer steady-state- sowie einer transienten Dunkelkennlinie und Übernahme der dynamischen Effekte aus diesen in eine transient gemessene Hellkennlinie Lange Gesamtmesszeit Komplexe Transformation aus den Dunkel- zu den Hellkennlinien Anfällig für Ungenauigkeiten wenn J 0 und R S Verteilungen auf der Zelle inhomogen sind Bild aus: Kopel; Short Form Catalolgue; Solar PV Test Systems, Kyoshin Electric, Japan

11 Dynamic IV - Details Schrittweise Veränderung der Spannung, welche am Messpunkt gehalten wird bis der Stromwert sättigt Schrittweiten in Spannung und Zeit müssen innerhalb bestimmter Bereiche für jeden Punkt separat angepasst werden An jedem Punkt erhält man eine Sprungantwort Bild aus: C. Monokroussos; US A1; Patent application

12 Dynamic IV - Details Spannung wird über den gewünschten Punkt hinaus angehoben und dann zurückgesetzt um die Kapazität schneller zu laden Das Bild zeigt eine dynamische IV Messung eines Moduls aus Heterojunction Solarzellen Jeder Messpunkt muss individuell parametriert werden Ein Algorithmus zur automatischen Parametrierung ist verfügbar*, trotzdem ist eine Grundparametrierung erforderlich *N. Rebeaud et al.; Proc. Of the 29th EU-PVSEC, Hamburg, 2014 Bild aus: A. Virtuani et al.; 38th IEEE PV Specialists Conference, Austin 2012

13 Methode mit konstanter Minoritätsladungsträgerdichte Variiere Spannung, Strom und Intensität am MPP, und halte die Ladungsträgerdichte konstant Bestimme MPP steady-state, V OC steady-state und I SC steady-state Es wird keine vollständige Kennlinie bestimmt Mehrere Blitze für mehrere Messpunkte Nicht anwendbar wenn Lage des MPP unbekannt Spektrums Änderung während Messung möglich Einfluss von R S während Messung nicht konstant Bild aus: R. Sinton; US A1; Patent Application

14 h.a.l.m. advanced hysteresis Zwei Standard-Lastfahrten in einem Blitz (I SC V OC und V OC I SC ) Messung der Hysterese zwischen den beiden Kennlinien Bestimmung von Wichtungsfaktoren für die Messpunkte beider Kurven basierend auf einem Diodenmodel Keine einstellbaren Parameter Selbstkonsistente Bestimmung einer vollständigen steady-state Kennlinie 14

15 h.a.l.m. advanced hysteresis - Model Erweitertes Dioden-Ersatzschaltbild wie von Winter et al.* vorgeschlagen Spannung U(t) wird von aussen angelegt Spannung V(t) wird zwischen A und B an der Solarzelle gemessen C diff (U) und R S führen zu asymetrischer Aufspaltung zwischen I SC V OC und V OC I SC Lastfahrt *S. Winter et al.; Proc of the 2nd World Conf. On Solar Energy Conversion, Wien, 1998

16 h.a.l.m. advanced hysteresis - Messdaten Rote Kurven: I SC V OC Lastfahrt Blaue Kurven: V OC I SC Lastfahrt Grüne Kurven: advanced hysteresis Orange Kurve: steady-state Kennlinie, gemessen mit einer Multi-Blitz Methode Ab 2x25 ms Messzeit sind advanced hysteresis und steady-state Kennlinie nicht unterscheidbar Messung der gesamten steady-state Kennlinie mit der vollen Anzahl an Messpunkten Messung einer 730 mv Solarzelle

17 h.a.l.m. advanced hysteresis - Messdaten Gemessener Wirkungsgrad ist von der Messzeit unabhängig Parameter freie Methode: Keine Anpassungen notwendig Universell einsetzbar Messung der gesamten steady-state Kennlinie nicht nur einiger Punkte Gleiche Zelle mit 730 mv wie zuvor

18 h.a.l.m. advanced hysteresis - Messdaten 700 mv Si cell Si module CdTe module

19 Zusammenfassung Kapazitive Effekte werden durch Überschussladungsträger im Si-Volumen verursacht Mit einer einfachen Kennlinienmessung werden sehr lange Messzeiten (> 1 Sekunde) für Hocheffizienzzellen und daraus gebaute Module notwendig Verschiedene Ansätze zur Lösung dieser Problematik von Steady-State Simulatoren bis hin zur advanced Hysterese Messung Zur Zeit gibt es nur einen Ansatz, der eine universelle und Parameter freie Lösung bietet, welche auch in Hochdurchsatzsystemen nutzbar ist