Analysis &amp; modeling of metastable photovoltaic technologies: towards dynamic photovoltaic performance models

Görig, Marzella Amata; Rau, Uwe; Gottschalg, Ralph

doi:37436

Analysis & modeling of metastable photovoltaic technologies: towards dynamic photovoltaic performance models

Görig, Marzella Amata^RWTH*

2018

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Master of Science Marzella Amata Görig

ImpressumJülich : Forschungszentrum Jülich GmbH 2018

Umfang1 Online-Ressource (246 Seiten)

ISBN978-3-95806-342-6

ReiheSchriften des Forschungszentrums Jülich ; 431

Dissertation, RWTH Aachen University, 2018

Druckausgabe: 2018. - Onlineausgabe: 2018. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University

Genehmigende Fakultät
Fak06

Hauptberichter/Gutachter
Rau, Uwe (Thesis advisor)^RWTH* ; Gottschalg, Ralph (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2018-06-15

Online
DOI: 10.18154/RWTH-2018-226819
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/730376/files/730376.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/730376/files/730376.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl für Photovoltaik (FZ Jülich) (615610)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Photovoltaics (frei) ; degradation (frei) ; dynamic performance models (frei) ; metastable effects (frei) ; thin film modules (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 621.3

Kurzfassung
Der Klimawandel ist eine der größten Herausforderungen dieses Jahrhunderts. Aufgrund der erforderlichen Reduktion der Emissionen, die den Klimawandel hervorrufen, gewinnen erneuerbare Energien zunehmend an Bedeutung. Dabei gehört Photovoltaik (PV) zu den erneuerbaren Energien, die sehr schnell wachsen. Die Herausforderungen, die das Wachstum von Photovoltaik am Energiemarkt auch in Zukunft rechtfertigen, sind die Kostenreduzierung, eine steigende Effizienz und eine steigende Zuverlässigkeit dieser Technologie.Dünnschichtsolarzellen haben aktuell einen Anteil am Photovoltaikmarkt von nur 7%. Sie besitzen jedoch viele Vorteile, die ihr Potential für die Zukunft aufzeigen. Ihre größten Vorteile sind ihre geringen Kosten und ihre vielversprechenden Anwendungen für neue Märkte, sei es in Klimaregionen wie Indien mit sehr hohem Anteil an diffusem Licht oder ihre Möglichkeit als gebäudeintegrierte Module genutzt zu werden sowie auf flexiblen Substraten deponiert zu werden.Eine große Herausforderung für Dünnschichtmodule ist die Energievorhersage, da Dünnschichtsolarzellen metastabile Effekte aufweisen. Um dieses Problem zu lösen sind dynamische Performancemodelle erforderlich. In dieser Arbeit wird die Performance von Dünnschichtsolarzellen und -modulen unter Außen- und Laborbedingungen untersucht und simuliert. Dabei werden zwei Ansätze für dynamische Performancemodelle implementiert um die Energievorhersage von Dünnschichtmodulen zu verbessern.Zu Beginn wird in einem ersten Schritt eine vier-Schritt Prozedur definiert, mit der verschiedene Performancemodelle miteinander verglichen werden können. Für die Außenmodule wurden die Stromdichte-Spannungskurven (JV) mithilfe des Karmalkar-Haneefa (KH) Modells beschrieben. Das KH Modell benötigt nur vier physikalische Parameter zur Beschreibung der JV Kurve. Bei den Parametern handelt es sich um die Leerlaufspannung (Voc), den differentiellen Widerstand am Leerlaufpunkt (Roc), die Kurzschlussstromdichte (Jsc) und die differentielle Leitfähigkeit am Kurzschlusspunkt (Gsc). Die Parametrisierung, der qualitative Fit der gesamten JV Kennlinie und besonders der Fit an der maximalen Leistungsdichte wurden untersucht. Dabei wurden gute Fits für einfache Dünnschichttechnologien wie CdTe, CIGS und a-Si:H erzielt. Bei Tandemmodulen wie a-Si:H/µc-Si:H sind die Fits qualitativ schwächer und für kristalline Technologien kann der KH Fit nicht empfohlen werden. Nach dieser Analyse wurde die Parameteranalyse und die Performancevorhersage mit dem KH Modell und denen des bekannten Loss Factor Modells (LFM) miteinander verglichen. Dabei wurde festgestellt, dass das KH Modell für die Beschreibung von Dünnschichtmodulen unter Außenbedingungen geeignet ist. Das KH Modell wurde zur Analyse der metastabilen Effekte und des Langzeit-Degradationsverhalten von CdTe verwendet. Es wird gezeigt, dass die Anfangs- und Degradationsphase der Modulleistung von Voc, Gsc und stark von Roc beeinflusst werden. Das Verhalten dieser Parameter wurde für mehr als zwei Jahre in vier verschiedenen Klimazonen untersucht. Zudem wurde ein empirisches dynamisches Modell für das Verhalten von Roc für vier Klimazonen aufgestellt und festgestellt, dass die Konsolidierungsphase von Roc und Gsc sowie die saisonalen Schwankungen von Roc durch den Effekt der spannungsabhängigen Stromdichte hervorgerufen werden.Im letzten Teil dieser Arbeit wird schließlich der Ansatz eines physikalischen dynamischen Performancemodells untersucht. Die Untersuchungen werden dabei für a-Si:H Solarzellen gemacht, da für diese Technologie bereits viel über ihr metastabiles Verhalten bekannt ist. In einem ersten Schritt wurde zunächst ein aufwändiger Lichtalterungsversuch durchgeführt, welcher den Effekt von verschiedenen Zelldicken, verschiedenen Lichtintensitäten und das dynamische Verhalten nach einem Lichtintensitätenwechsel berücksichtigt. Die Zellperformance wird mit einem Modell bestehend aus einem Devicesimulator und einer Ratengleichung simuliert, die direkt die Defektevolution beschreibt. Die Performance der untersuchten Solarzellen konnte mithilfe des Modells gut simuliert werden. Aufgrund fehlenden physikalischen Wissens der genauen Defektevolution sind für weitere Verbesserungen der Ratengleichung jedoch weitere Untersuchungen notwendig. Dafür stellt das entwickelte dynamische Performancemodel eine gute Grundlage dar.

Climate change is one of the biggest problems in this century. To reduce the emissions that lead to the climate change, it is expected that renewable energy systems will become very important for our energy supply in the future. Among these renewable energies, photovoltaics (PV) belongs to one of the fastest growing technologies. The key drivers to justify an increasing share of photovoltaics in the energy marketare the reduction in cost, the increase of efficiency and the increase in their reliability.Thin film technologies have a share of the PV market of approximately only 7%. However, thin film technologies have many advantages that show their potential for the future. Their main advantages are their low costs and their promising application for new markets, as for example for climate zones with a high amount of diffuse irradiance or their possibility to use them as building-integrated modules and depositthem on flexible substrate.A big challenge for thin film technologies is the energy yield prediction as thin film solar cells exhibit metastabilities. To solve this problem, dynamic performance models are necessary. In this thesis, the performance of thin film solar cells and modules are investigated and modeled under outdoor and laboratory conditions, whereas two approaches of dynamic performance models are implemented to improve the performance prediction of thin film modules. At the beginning of this work, a four-step procedure is defined to compare different performance models with each other. The current-density voltage (JV) curves of the outdoor modules are described with the empirical Karmalkar-Haneefa (KH) performance model. The KH model uses only four physical parameters, namely the open circuit voltage (Voc), the differential resistance at the open circuit point (Roc), the short-circuit current density (Jsc), and the differential conductance at the short-circuit point (Gsc), to describe the JV curve. The parameterization and the fitting quality of the whole JV curve and especially of the maximum power density are investigated. Good fits are found for single thin film technologies as CdTe, CIGS, and a-Si:H. Tandem modules as a-Si:H/µc-Si:H show not very good fits and for crystalline technologies the KH model cannot be recommended. Afterwards, the parameter analysis and the performance prediction of the KH model are compared to the commonly usedLoss Factor Model (LFM). It is found that the KH model is suitable for outdoor description and analysis of thin film modules.The KH model is used to analyze the metastable and long-term degradation behavior of CdTe modules. It was found that the initial and degradation phase of the module performance are influenced by Voc and Gsc, and especially by Roc. The behavior of all these parameters is investigated for more than two years considering four different climate regions. In addition, an empirical dynamic model describing the behavior of Roc in the four climate zones is implemented. It was found that the consolidation phase of Roc and Gsc as well as the seasonal behavior of Roc are evoked by the effect of voltage-dependent photo-current.In the last part of this thesis, finally the approach for a physical dynamic performance model is investigated. The investigation is done for a-Si:H solar cells as already a good knowledge exists about their metastable behavior. In a first step, a huge long-term light-soaking experiment has been done which considers differentcell thicknesses, different light intensities and the dynamic response after changing of the light intensity. The performance is described with a combination of a device simulator and rate equation describing the evolution of defects directly. The performance of the investigated cells can be described in a suitable range with this model. However, due to the lack of physical knowledge of the exact defect evolution, a further improvement of the rate equations requires further investigation. For this, the developed dynamic performance model provides a very good template.

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