Institutsbericht 2021
3.2
Institute of Computational Physics
Experimentelle Validierung eines elektrothermischen Kleinsignalmodells für grossflächige Perowskitsolarzellen
Um die Defektdetektion in Perowskit-Solarzellen zu verbessern, legen wir ein oszillierendes sinusförmiges Spannungssignal an die Zellen an und messen die resultierende Temperatur mit einer Infrarotkamera. Ein Vergleich mit Simulationen kann dabei helfen, den Ursprung der Defekte zu bestimmen und ermöglicht deren Quantifizierung. Mitwirkende: Partner: Finanzierung: Dauer:
E. Comi, E. Knapp, B. Ruhstaller Fluxim AG, Empa, Solaronix S.A. Masterarbeit, Innosuisse 2020–2021
Perowskit-Dünnschicht-Solarzellen haben in den letzten Jahren aufgrund schnell steigender Wirkungsgrade viel Aufmerksamkeit auf sich gezogen. Die Hochskalierung dieser Technologie von kleinen Laborzellen zu grossflächigen Modulen ohne Einbussen bei Effizienz und Stabilität ist jedoch noch eine zu lösende Herausforderung für die erfolgreiche Kommerzialisierung. Die Herstellung von Perowskit-Modulen im Siebdruckverfahren ist ein wichtiger Schritt in Richtung Industrialisierung. Deshalb führen wir eine elektrothermische Analyse von siebgedruckten kohlenstoffbasierten Lochtransportschicht-freien Perowskit-Dualzellen mit verschiedenen Breiten der Zellverbindung durch. Dazu verwendeten wir die FEM (FiniteElemente-Methode)-Software Laoss, die den Prozess der Hochskalierung von kleinflächigen zu grossflächigen Bauelementen unterstützt, indem sie die Potential- und Temperaturverteilung in 2D-Domänen der oberen und unteren Elektrode löst, die durch ein vertikales 1D-Kopplungsgesetz gekoppelt sind. In dieser Masterarbeit präsentierten wir elektrische und thermische DC- und AC-Simulationen von Dualzellen
und einer Referenzzelle ohne Zellverbindung und haben die Simulationsergebnisse mit Messungen verglichen. Die Software kann nicht nur elektrische und thermische Steady-State-Simulationen durchführen, sondern auch den Einfluss von nicht-idealen Elektroden im Frequenzbereich bestimmen. Daher führen wir auch die Small-Signal Dark-Lock-In-Thermographie(SS-DLIT)-Methode ein, um elektrothermische Effekte in Perowskit-Solarzellen im Dunkeln mit hoher Genauigkeit zu messen und zu simulieren, dank der Verwendung einer kleinen, periodischen Spannungsmodulation um eine ausgewählte Offsetspannung. Diese angepasste DLIT-Methode kann mit dem thermischen AC-Modul in Laoss simuliert werden und erlaubt die Untersuchung und Quantifizierung verschiedener Defekte, wie z. B. Shunts oder die Qualität der Zellverbindung von Perowskit-Solarmodulen. Abbildung 1 zeigt das Amplitudenbild einer SS-DLITSimulation einer Perowskit-Doppelzelle mit eingebauten Shunts im Bild auf der linken Seite. Auf dem rechten Bild ist zum Vergleich die SS-DLIT-Messung dargestellt.
Abbildung 1: Simuliertes SS-DLIT-Amplitudenbild einer Perowskit-Dualzelle, welches eine Temperaturerhöhung an den Shunts und der Zellverbindung zeigt. Rechts ist die SS-DLIT-Amplitudenmessung dargestellt, die auch zwei Hot Spots in der oberen Zelle zeigt, welche im Betrieb zu Verlusten führt.
Zürcher Fachhochschule
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