Entwicklung eines Messplatzes zur präzise kontrollierten beschleunigten Photo-Degradation von organischen Solarzellen unter hoher Bestrahlung

During the last years a lot of new technologies and materials have been appearing in the field of photovoltaics with plenty of interesting features enabling cheap production and a vast variety of applications. While the efficiencies of these new devices are already on a good way and show a continuous increase, most of them struggle with competitive lifetimes (standard silicon solar modules offer warranties of 20 years and more). Thus, testing materials concerning their reliability has been growing into a very important task. As desired operation lifetimes typically lie in the range of many years, product testing under normal working conditions would be a very protracted process. Therefore, accelerated lifetime testing is a feasible way of assessing material reliabilities. Accelerated degradation is reached by increasing the loads, appearing at a certain device, (far) beyond the stress levels which are reached in normal operation mode. Different ways of lifetime testing are employed to assess the resilience against various influences a device is exposed to during its service lifetime. Most of them address degradation processes caused by external influences like humidity and promote the subsequent development towards better barrier materials and techniques to protect the devices against external influences. Since photovoltaic devices are made for absorbing light the most basic and important feature of a certain device is sufficient light (and temperature) stability as this influence simply never can be suppressed. Accordingly, the current work deals with the design, establishment and startup of a laboratory for accelerated lifetime testing concerning light degradation. Accelerating the degradation process will be achieved by temperature and irradiance variations. The crucial feature of such a laboratory is the precise control of sample temperatures and irradiances independently from each other. This aim is reached by actively cooling the solar cells while being illuminated. Additionally, a new way of temperature determination of the cells under irradiation was developed which provides accurate information about sample temperature. How important this step of accurate temperature measurement is, will be presented by comparing the new way of temperature determination with common ones. This new way of solar cell temperature management enables accurate investigations of degradation kinetics under highly concentrated irradiances (high-C) and accordingly, by using the new setups, degradation kinetics of solar cells under high-C conditions could be precisely studied which was not reported so far. An Arrhenius law was found for the temperature dependence of the solar cell degradation progress under high illumination densities. This underlines the importance of precise temperature determination and control. Concerning the dependence of the degradation progress of the short circuit current on the irradiance itself at a fixed temperature, a linear relation was found in the investigated range of irradiance. In other words, light degradation (in a certain range) is just a question of the light dose or number of photons absorbed by the solar cell as long as the temperature stays constant. As a rule of thumb, the experimental time required for material testing may be reduced by the described setups by a factor of several hundred compared to standard tests and, hence, the light stability of a certain material during typical operation times can be assessed within several days. Besides conducting degradation experiments on opto-electronic devices the laboratory was additionally designed to perform aging experiments on materials and structures intended for concentrated solar power plants (CSP). Typical stress levels as they appear in such a power plant can be simulated with one of the developed ALT setups. Accordingly, ALT experiments with potential new CSP absorber structures were successfully conducted in a cooperative research project and demonstrate the capability and versatility of the new laboratory: fast lifetime testing of various materials based on illumination and temperature degradation.Während der letzten Jahre erschienen zahlreiche neue Technologien und Materialien mit interessanten Eigenschaften im Bereich der Photovoltaik, welche niedrige Produktionskosten ermöglichen und eine Vielfalt an Anwendungsmöglichkeiten eröffnen. Während sich die Effizienz dieser neuen Entwicklungen in den letzten Jahren kontinuierlich verbesserte, gibt es derzeit im Bereich der Lebenszeit noch große Defizite (Standard Silizium Solarmodule bieten eine Garantiezeit von 20 Jahren und mehr). Daher ist der Überprüfung der zu erwartenden Lebenszeit neuer Materialien eine zunehmend größere Rolle beizumessen. Nachdem die gewünschten Lebenszeiten typischerweise in der Größenordnung vieler Jahre liegen, wären Testverfahren unter Realbedingungen eine langwierige Angelegenheit. Aus diesem Grunde greift man auf Schnellalterungstests zurück, um Materialstabilitäten abzuschätzen. Die Beschleunigung des Degradationsprozesses wird dabei durch eine (starke) Vergrößerung der Belastung am betrachteten Gerät über das im Normalbetrieb auftretende Maß gesteigert. Es gibt eine Reihe verschiedener Möglichkeiten um Lebenszeittests hinsichtlich verschiedener Einflüsse, welchen ein bestimmtes Produkt während seiner Betriebszeit ausgesetzt ist, durchzuführen und dessen Widerstandsfähigkeit abzuschätzen. Die meisten dieser Prozeduren zielen auf externe Einflüsse wie Feuchtigkeit ab und dienen folglich der Entwicklung von besseren Verkapselungsmaterialien und -techniken um diese Einflüsse zu reduzieren. Nachdem photovoltaische Anlagen Licht absorbieren müssen, muss deren grundlegendste und wichtigste Eigenschaft eine hinreichende Lichtstabilitat (und Temperaturstabilität) sein, da dieser Einschluss schlichtweg nicht zu unterdrücken ist. Daher beschäftigt sich die vorliegende Arbeit mit der Entwicklung, dem Aufbau und der Inbetriebnahme eines Labors für beschleunigte Alterungstests hinsichtlich der Lichtdegradation. Diesbezüglich dienen erhöhte Probentemperaturen und Bestrahlungsstärken als Beschleunigungsfaktoren. Folglich ist die genaue und unabhängige Kontrolle von Probentemperatur und Bestrahlungsstäre von zentraler Bedeutung. Dies wird durch aktive Regulierung der Probentemperatur während der Bestrahlung der Solarzellen erreicht. Dazu wurde eine neuartige Methode zur Temperaturmessung der Zellen während der Bestrahlung entwickelt, welche die exakte Bestimmung der Probentemperatur ermöglicht. Wie wichtig die Verwendung einer geeigneten Temperaturmessmethode ist zeigt ein Vergleich der gemessenen Werte mit herkömmlichen Messmethoden. Dieser Weg des Solarzellen-Temperaturmanagements ermöglicht eine genaue Untersuchung der Degradationskinetik unter hoch konzentriertem Licht (high-C) und folglich wurde das neue Alterungslabor zur genauen Untersuchung der Degradationskinetik von Solarzellen unter hohen Bestrahlungsleistungen verwendet, was bisher nicht veröffentlich wurde. Für die Temperaturabhängigkeit des Alterungsfortschrittes unter starker Bestrahlung wurde dabei ein Arrhenius-Gesetz gefunden. Diese Abhängigkeit unterstreicht die Notwendigkeit einer exakten Temperaturmessung und -kontrolle. Bezüglich der Abhängigkeit des Alterungsprozesses des Kurzschlussstroms der Solarzelle von der Bestrahlungsstärke selbst wurde ein linearer Zusammenhang gefunden. Dies bedeutet, dass der Alterungsfortschritt lediglich von der absorbierten Lichtdosis bzw. Photonenmenge abhängt, solange die Temperatur konstant bleibt. Vereinfacht gesagt kann mit den hier beschriebenen Testanlagen somit die experimentelle Zeit, welche für Materialtests nötig ist, im Vergleich zu Standardtests um einen Faktor von einigen Hundert reduziert werden. Somit kann die Lichtstabilität eines gewissen Materials über typische Betriebszeiten innerhalb weniger Tage abgeschätzt werden. Neben der Durchführung von Degradationsexperimenten an opto-elektronischen Bauteilen wurde das Labor auch dazu konzipiert, Alterungsexperimente an Materialien und Strukturen durchzuführen, welche für die Verwendung in Kraftwerken der Konzentrierenden Solarthermie (CSP). Typische Belastungen, wie sie in einem derartigen Kraftwerk auftreten, können mit einer der aufgebauten Anlagen simuliert werden. Daher wurden im Rahmen eines Kooperationsprojektes Schnellalterungsexperimente an potentiellen, neuartigen CSP Absorberstrukturen erfolgreich durchgeführt und demonstrieren die Leistungsfähigkeit und Vielseitigkeit des neuen Labors: schnelle Lebenszeituntersuchungen an unterschiedlichen Materialien basierend auf Licht- und Temperaturdegradation

Accelerated lifetime testing of thin‐film solar cells at high irradiances and controlled temperatures

Within this study, we investigate the intrinsic photostability of thin-film solar cells,here organic photovoltaic cells. Since degradation under natural sun light proceedswithin the timeframe of months and years, the process needs to be speeded up forfast material analysis and screening, using high-concentration accelerated lifetimetesting (high-C ALT). For this purpose, we established setups allowing irradiances ofup to 730 sun equivalents (SE). One key finding of our study is that accelerating thetesting procedure by such large intensities is possible but a precise measurement andcontrol of the solar cell temperature is absolutely essential. Accordingly, we devel-oped an innovative method of determining the temperature of the active layer whichoffers significant advantages over commonly used measurement methods. Further-more, it was found that the degradation process under high illumination densities canbe well described by a stretched exponential law. We demonstrate that the tempera-ture kinetics of P3HT:PCBM was found to be Arrhenius governed with an activationenergy of 27.2 kJ/mol under continuous illumination of 300 SE. Finally, it was shownthat the velocity of light-induced degradation of short-circuit current depends line-arly on the used irradiance dose at a given temperature starting from normal illumina-tion conditions up to at least 300 SE. This makes high-C ALT a very valuable tool forswift screening of the lifetime of novel thin-film solar cells and materials