WP6 - Caratterizzazione e affidabilità di celle solari

Obiettivi

Questo WP ha come obiettivo la costituzione di un laboratorio integrato di caratterizzazione di materiali e dispositivi per sistemi fotovoltaici, e l’attività di ricerca del WP 6 sarà organizzata nei seguenti quattro task

• Task 6.1: Caratterizzazione chimico-fisica
• Task 6.2: Caratterizzazione elettro-ottica e termica
• Task 6.3: Sviluppo di tecniche di diagnostica “in-line”
• Task 6.4: Affidabilità e robustezza
• Task 6.1: Caratterizzazione chimico-fisica
  • 6.1.1 caratterizzazione chimico fisica di materiali
  • 6.1.2 caratterizzazione chimico fisica di assemblaggi e dispositivi di prova

Task 6.1: Caratterizzazione chimico-fisica

Il gruppo di scienza dei polimeri afferente al Polo fotovoltaico si occupa, nell’ambito del WP6, di attività di caratterizzazione e di preparazione.

Nel primo caso, le tecniche di punta sono di tipo diffrattometrico (diffrazione dei raggi X ad alto angolo e diffusione dei raggi X a basso angolo), applicate per sviluppare correlazioni strutture-proprietà utili per una progettazione razionale, a livello molecolare, dei dispositivi fotovoltaici organici.

La caratterizzazione dei materiali preparati verrà completata tramite tecniche termoanalitiche (HR-TGA, MDSC e DMA), spettroscopiche (ICP-AES, IR, Raman), microscopiche (STM, AFM, SEM, microscopia ottica in luce polarizzata) e metodologie elettriche ed elettrochimiche (voltammetria ciclica, spettroscopia elettrica a banda larga).

Il secondo ambito di attività del gruppo riguarda invece lo sviluppo di innovative tecniche di deposizione di polimeri conduttori, centrate sull’uso dell’elettrospinning. In questo modo si produrranno fibre di diametro submicrometrico, di alta superficie specifica, che ci si aspetta possano influire positivamente sulla performance dei dispositivi fotovoltaici organici.

Il gruppo di spettroscopia ESR afferente al Polo Fotovoltaico di Padova si occupa, nell’ambito del WP6, di attività di caratterizzazione e di preparazione di film sottili di polimeri coniugati semi-conduttori puri e in miscela con derivati fullerenici. Tali materiali sono attualmente molto studiati per il loro impiego come strato foto-attivo in celle fotovoltaiche organiche a eterogiunzione di massa (BHJ).

Caratterizzazione di film sottili

Sono attualmente disponibili, per la caratterizzazione di film sottili, uno spettrometro ESR in banda X (Bruker) con sistema di controllo di temperatura del campione (da 80 a 350 K), dotato di accessori per l’irraggiamento dei film durante la misura spettroscopica. Le sorgenti attualmente disponibili sono una lampada a Xe con monocromatore (lunghezza d’onda selezionabile da 400 a 800 nm) ed un laser impulsato Nd:YAG (355 e 532 nm) con impulsi di 5 ns di durata e frequenza di ripetizione di 20 Hz.

Con entrambe le sorgenti è possibile registrare spettri “Light-induced ESR” (spettroscopia L-ESR), ottenendo i segnali delle specie portatrici di carica a tempo di vita medio e lungo (> ~1 ms). Tali misure consentono la rivelazione e individuazione delle specie cariche generate per irraggiamento.

Con il Laser impulsato Nd:YAG si possono registrare i segnali transienti delle specie a vita breve (nel campo dei ms) foto-generate nei film sottili. Tali specie comprendono, ad esempio, gli stati eccitati di tripletto dei polimeri coniugati.

Preparazione di film sottili

I laboratori di spettroscopia ESR sono dotati di strumentazione adatta per la preparazione di film sottili polimerici con due differenti tecniche:

• da soluzioni, per evaporazione del solvente sotto vuoto;
• da soluzione, con il metodo di “spin-coating” in aria.

Quest’ultima attività del gruppo permette di preparare i campioni per le misure L-ESR e TR-ESR e di studiare le performance dei materiali, ed eventualmente di dispositivi fotovoltaici organici finiti, in funzione del metodo di deposizione del film e del suo spessore.

Task 6.2: Caratterizzazione elettro-ottica e termica

L’attività di ricerca sarà mirata alla caratterizzazione elettro-ottica di celle solari fotovoltaiche basate su diverse tecnologie come ad esempio: celle solari su silicio, celle solari basate su semiconduttore organico, celle solari ad alta efficienza (III-V e a concentrazione), etc.

Tale attività avrà un triplice scopo: (i) fornire informazioni sulle prestazioni di dispositivi fotovoltaici allo stato dell’arte; (ii) fornire informazioni sulle caratteristiche elettro-ottiche di dispositivi fotovoltaici “research-grade”, sviluppati o acquisiti entro il progetto; (iii) fornire dati sperimentali utili alla definizione di modelli teorici per la simulazione delle caratteristiche elettro-ottiche dei dispositivi. Si implementeranno le seguenti tecniche di indagine.

Misure Tensione-Corrente al variare di temperatura e condizioni di illuminazione: Tale caratterizzazione permetterà di ricavare i parametri caratteristici dei dispositivi fotovoltaici (tensione di circuito aperto, corrente di corto circuito, fill factor, efficienza). Le misure verranno condotte sia in condizioni di buio, sia in condizioni di dispositivo illuminato mediante simulatore solare opportuno. Si implementerà anche un setup per l’analisi della dipendenza delle caratteristiche delle celle solari dalla temperatura. Infine, si definirà un setup per la valutazione della risposta dinamica di celle solari;

Misure di efficienza quantica spettrale: si definirà un sistema per la misura dell’efficienza quantica spettrale delle celle solari. Il sistema permetterà di valutare l’efficienza di celle con diversa struttura, al variare della lunghezza d’onda di eccitazione nel range 200-1100 nm, e della temperatura dei dispositivi.

Misure di elettroluminescenza risolta spazialmente. Tali misure permettono di identificare la presenza di difetti all’interno della zona attiva dei dispositivi (rilevabili a partire dall’analisi dei processi di ricombinazione inter-banda). I dati sulla concentrazione e distribuzione di difetti sono di fondamentale interesse, per la comprensione dei meccanismi che limitano efficienza e affidabilità di celle solari commerciali e research-grade

Caratterizzazione termica di celle solari. Lo studio sarà mirato ad analizzare l’autoriscaldamento delle celle sottoposte a diverse condizioni di illuminazione/temperatura ambientale. L’analisi termica verrà condotta mediante metodi indiretti (misure tensione-corrente-temperatura), e termografia infrarossa (IR) mediante opportune termocamere. Risultati importanti di questo tipo di caratterizzazione saranno (i) la valutazione del riscaldamento di celle solari al variare delle condizioni di utilizzo, e (ii) la possibilità di ottimizzare le strategie si dissipazione del calore a partire dai risultati delle analisi termiche.

Caratterizzazione dei sistemi di concentrazione della luce per celle a tripla giunzione. Si valuteranno le differenze di efficienza fra le celle a tripla giunzione montate su basette ideali costruite per la misura delle caratteristiche delle celle e l’efficienza delle celle montate su sistemi concentratori reali. L’obiettivo è quello di fornire ai progettisti di sistemi a concentrazione informazioni che gli permettano di migliorare i concentratori.

Questo Task è costituito da 2 subtask:

6.2.1 Caratterizzazione elettro-ottica di celle solari

6.2.2 Caratterizzazione termica di celle solari

Task 6.3: Sviluppo di tecniche di diagnostica “in-line”

L’idea di questo task è quella di sviluppare tecniche di diagnostica “in-line” innovative, utilizzando alcune metodologie di indagine innovative, ovvero di introdurre un controllo della qualitàdella cella e del pannello non al termine del processo produttivo, ma durante la fase di produzione. Tale analisi in-line potrà permettere un notevole risparmio di costi e di tempi, in quanto renderà possibile un intervento in fase di realizzazione e assemblaggio e non alla fine della realizzazione dello stesso, con ovvie conseguenze di vantaggi economici. La ricerca si svilupperà lungo su 2 tipi di analisi:

Sviluppo di una analisi basata su elettroluminescenza. Applicando una tensione alla cella o al pannello, facendo quindi funzionare la cella in maniera inversa rispetto al suo utilizzo classico, si ha una piccola emissione di luce. Attraverso l’analisi della luce emessa dalla cella o dal pannello con una CAMERA CCD NIR (NIR Near InfraRed, sensibile al vicino infrarosso) si possono individuare difetti presenti nella cella (microcrepe, corto circuiti, corrosioni, disomogeneità, o altri elementi difficilmente individuabili a vista d’occhio). Tali difetti sono alla base del malfunzionamento delle celle causando una riduzione più o meno drastica dell'efficienza del pannello. L’individuazione di tali difettosità potrà permettere l’eventuale individuazione e sostituzione delle parti difettose con un conseguente miglioramento dell’efficienza del processo produttivo.

Qui la tecnica è identica a quella presentata sopra per l’elettroluminescenza! Chiaramente in line ci sono altri problemi (velocità di caratterizzazione, integrazione in un sistema già presente, costi, semplicità di utilizzo del sistema, …)

Sviluppo di una analisi basata su mappe termiche. La presenza di difetti e disuniformità del materiale che costituiscono le celle fotovoltaiche (crepe, contatti non ottimali, macroporosità della cella), comporta la formazione di percorsi conduttivi maggiormente resistivi in alcune parti della cella. Attraverso la visione con camera infrarossi (IR) si possono individuare le zone di malfunzionamento. Infatti le zone maggiormente resistive subiranno un riscaldamento maggiore (per maggior dissipazione di potenza) e questo comporterà un aumento localizzato della temperatura, che appunto verrà identificata dalla telecamera IR. L’innalzamento termico è in primo luogo indice di punti a più bassa conduzione e quindi causa di una minore efficienza della cella. Inoltre, se una porzione della cella lavora a temperature maggiori, questa subirà sicuramente un degrado accelerato, comportando un degrado più veloce di quello previsto dell’intero pannello. Con questa tecnica si potranno quindi risolvere problematiche che non risulterebbero evidenti nell’ immediato ma che andrebbero a pesare durante il lungo utilizzo previsto per i pannelli solari.

Questo Task è costituito da 2 subtasks:

6.3.1 Sviluppo di un sistema di indagine basato su elettroluminescenza

6.3.2 Sviluppo di un sistema di mappatura termica

Task 6.4: Affidabilità e robustezza

L’obiettivo di questo task è di studiare i meccanismi fisici responsabili del degrado dei dispositivi fotovoltaici nonché dei sistemi di concentrazione della luce per celle multi giunzione ad alta efficienza. Scopo di questo lavoro è determinare la correlazione tra la struttura/specifiche del dispositivo e la sua affidabilità nel breve periodo. I risultati di questi analisi costituiranno un utile feedback per i fornitori dei campioni (che potranno conseguentemente migliorare il processo produttivo) e verranno utilizzati dagli utilizzatori di celle solari per la definizione dei parametri di progetto per sistemi fotovoltaici

Le metodologie di test utilizzate per le celle solari sono sinteticamente descritte nel seguito.

Si studieranno (i) la degradazione dei campioni sottoposti a diverse condizioni di illuminazione, e (ii) il ruolo della temperatura e umidità nella degradazione del dispositivo mediante stress termici. I principali parametri che saranno monitorati durante gli stress sono: la corrente di cortocircuito, la tensione a circuito aperto, il fill factor, e la massima potenza erogabile. Un analisi più dettagliata dei meccanismi responsabili del degrado dei dispositivi sarà condotta mediante misure di efficienza quantica spettrale, di elettroluminescenza, e di impedenza elettrochimica (per le celle solari basate su semiconduttore organico). Tali analisi forniranno informazioni sui meccanismi fisici e chimici responsabili del degrado dei dispositivi, e sulla correlazione tra proprietà dei materiali e prestazioni/affidabilità delle celle solari (in collaborazione con gli altri partner del progetto).

I test di affidabilità saranno condotti nelle seguenti condizioni:

Stress a diversi livelli di illuminazione, condotti a temperatura e umidità costante

Stress ad illuminazione costante, condotti a diverse temperature e diversi livelli di umidità

Stress in assenza di illuminazione, condotti a diverse temperature e diversi livelli di umidità

Stress dei sistemi di concentrazione della luce per celle multi giunzione ad alta efficienza.

In una seconda fase di questo task (seconda metà del progetto) ci si dedicherà maggiormente a:

1. l’analisi delle cinetiche di degradazione a lungo termine dei dispositivi e dei sistemi di concentrazione della luce;
2. la definizione di modelli per la descrizione delle cinetiche di degradazione sotto diverse condizioni di stress;
3. l’analisi della correlazione tra i parametri strutturali/costruttivi dei dispositivi e loro affidabilità.

Il risultato principale di questo task è una descrizione dettagliata delle cinetiche di degradazione dei diversi tipi di celle fotovoltaiche analizzate nell’ambito di questo progetto. I dati ottenuti dalle strutture di test e quelli ricavati da dispositivi commerciali allo stato dell’arte saranno valutati al fine di determinare i limiti dei diversi tipi di tecnologia utilizzata. Sulla base dei risultati ottenuti, si potrà fornire un feedback ai costruttori dei dispositivi, riguardo le debolezze del processo tecnologico. L’identificazione dei meccanismi di guasto proseguirà con l’analisi delle cinetiche di degradazione e con l’identificazione delle leggi di degrado, cercando di separare gli effetti della temperatura da quelli dovuti allo stress elettrico. I dati sulle cinetiche di degrado saranno di fondamentale interesse per gli utilizzatori di celle solari, che potranno definire le specifiche dei sistemi fotovoltaici in fase di progetto. Questo Task è costituito da 2 subtask:

6.4.1 Test di invecchiamento di breve e lungo termine su celle solari

6.4.3 Sviluppo di modelli di degrado di sistemi PV

WP6 - Caratterizzazione e affidabilità di celle solari Responsabile: prof. Gaudenzio Meneghesso University of Padua Department of Information Engineering, Via Gradenigo, 6/B - 35131 Padova Telefono +39 049 827 7653 - Email: gauss[at]dei.unipd.it