LBIC – Messungen für Module mit - Klima

PHILIP
Photonik für innovatives Lichtmanagement in
Photovoltaikmodulen
Gerhard Peharz, Ladislav Kuna,
Bernhard Lamprecht, Wolfgang Nemitz
St. Veit, 25. März 2014
Typischer Aufbau von kristallinen
Silizium- Photovoltaikmodulen
Motivation: Reduktion der
Verlustbringer bei
c-Si Photovoltaikmodule
Modulbetrachtung:
30% der
Wirkungsgradverluste
entstehen außerhalb
der eigentlichen
Silizium-Zelle
Absorption Zelle
Reflexion Zelle
Reflexion Glas
Reflexion Metallisierung
Nicht mit Zelle bedeckt
Ziel: Reduktion optischer Verluste
durch photonische Strukturen
Ziel:
Reduktion optischer
Verluste
Absorption Zelle
Reflexion Zelle
Reflexion Glas
Reflexion Metallisierung
Nicht mit Zelle bedeckt
Beispiel 1: Reduktion der optischen
Verluste an der
Vorderseitenmetallisierung
Einbringen von lichtlenkenden Elementen in das Volumen der Verkapselung
direkt über die Vorderseitenmetallisierung
Herstellung mit einem Laserprozess nach dem Laminierprozess. Kein
Einbringen zusätzlicher Materialien ins Modul
Teststrukturen zur optischen Charakterisierung
von Volumenoptiken
Teststrukturen bestehen aus einer Sandwichstruktur aus
zwei Glasplättchen die mit EVA zusammenlaminiert sind
gedruckten Silberlinien - Breite und die Abstände
entsprechen der Vorderseitenmetallisierung von Solarzellen
EVA….Ethylen-Vinyl-Acetat (Polymer)
Messung der optischen
Transmission
Silberlinien reduzieren optische Transmission um ca. 7%
Herstellung von Volumenoptiken
mittels fs-Laser-Lithographie
Photonische Mikrostrukturen im Volumen der EVA-Verkapselung an Positionen
über den Metallbahnen
Die hohen Lichtintesitäten im Fokus der fs Laserpulse verändern die optischen
Eigenschaften von EVA
Über eine geeignete Anordnung dieser Volumenstrukturen lassen sich streuende
bzw. beugende optische Strukturen realisieren
Realisierung von Mikrooptiken
in Teststrukturen
Ein Feld von Mikrooptiken wurde in das EVA Volumen direkt über den
Silberlinien geschrieben
Gut sichtbarer optischer Kontrast zwischen strukturierten und
unstrukturierten Bereichen
Optische
Charakterisierung
Vorher: Transmissionsmessungen an Teststrukturen
Herstellen der Mikrooptiken
in Teststrukturen
Nachher: Transmissionsmessungen an Teststrukturen
Ergebnisse
Erhöhung der Transmission
Signifikante Erhöhung
der Transmission nach
dem Einbringen der
Mikrooptiken
Ergebnisse:
Reduktion der optischen Abschattung
18
Reduktion der optischen Abschattung [%]
Messungen an 8
verschiedenen Proben
Erzielte Reduktion der
optischen Abschattung
bis zu 17%
16
14
12
10
8
6
4
2
0
1
2
3
4
5
Sample
6
7
8
Simulationen zeigen,
dass Reduktion von bis
zu 50% möglich sind
Weiter experimentelle
Optimierung
notwendig
Reduktion der optischen Abschattung [%]
Simulationen
Reduktion der optischen Abschattung
50
0.3 µm Mikrostruktur 2 µm Abstand
45
40
35
30
25
20
15
10
5
0
400
500
600
700
800
Wellenlaenge [nm]
900
1000
Testmodule mit Laborsolarzellen
Verwendung von Laborsolarzellen die vom Fraunhofer ISE hergestellt
wurden.
Über die Kontaktlinien (Breite 100 µm, Abstand: 1mm) wurden mittels fsLaserlithographie Mikrooptiken eingeschrieben
Mikrooptik
LBIC - Messungen
LBIC steht für light beam induced current (durch einen Lichtstrahl erzeugter
Strom)
2D Bilder des Stromes der Solarzelle
LBIC Messungen an Testmodulen
mit Minisolarzellen
2D Bild des Stromes den die Solarzelle im Testmodul generiert
Im Bereich wo sich Mikrooptiken befinden erscheinen die Kontaktfinger
deutlich heller, d.h. es wird dort mehr Strom generiert
Mikrooptiken
Beispiel 2: Lichtlenkende
Folien
Reduktion optischer Verluste an Stellen im Photovoltaikmodul die nicht mit
Solarzellen bedeckt sind
Speziell am Modulrand befindet sich relativ viel „tote“ Fläche. Die Besonderheit
dieser Strukturen ist dabei, dass diese das Licht asymmetrisch umlenken können
Herstellung der lichtlenkenden Folien
mittels Nanoimprintlithographie
PET Substratfolie
 auftragen von UV Lack
 Prägen der Struktur
 UV Belichtung
 Metallbeschichtung
Sägezähne: h=63µm, Rampe=160µm
Teststrukturen zur Bestimmung der optischen
Effizienz der lichtlenkenden Folien
Wellenleiterstrukturen bestehend aus zwei mit EVA laminierten 4 mm bzw. 1 mm
dicken Glasplatten. Im Bereich des linken Randes werden lichtlenkende Folien
sowie weiße Solarrückseitenfolien als Referenz einlaminiert.
Kollimierter Lichtstrahl trifft
senkrecht auf das Backsheet
Kollimierter Lichtstrahl trifft
auf die lichtlenkende Folie
Messaufbau zur optischen
Charakterisierung
Das eingekoppelte Licht breitet sich im Test-Modul von links nach rechts aus
und wird an der (aufgerauten) Stirnseite ausgekoppelt und mittels einer
Ulbrichtkugel quantifiziert.
Bestimmung der optischen Effizienz
der lichtlenkenden Folien
Lateraler Scan des HeNe Laserstrahls von rechts nach links
Etwa 6 mal mehr Licht kann aus
einem Rand mit 9 mm breite
genutzt werden
600
Lichtintensitaet (µW)
Für Distanz <9 mm 
lichtlenkenden Folien zeigen
deutliche bessere optische
Performance als Rückseitenfolie
Rückseitenfolie
lichtlenkende Folie
500
400
300
200
100
0
0
2
4
6
8
10
Distanz (mm)
12
14
16
Integration der lichtlenkenden Folien
in Miniatursolarzellen
Mini-Testmodule mit Solarzellen, aktive Fläche: 20x20 mm²
Modul mit Standard-Rückseitenfolie
Modul mit lichtlenkenden Folien
Halbierung der optischen Verluste
mit der lichtlenkenden Folie
Strom der Solarzelle in Abhängigkeit der Position der HeNe Einstrahlstelle.
HeNe Laserscan
Spotdurchmesser ~ 1mm
1600
Referenz (Rückseitenfolie)
verspiegelte 24° Prismen
1400
Strom (µA)
1200
60%
1000
800
600
19%
400
Der Laser wird von rechts
nach links gescannt
200
Solarzelle
Einkoppelstruktur
0
0
2
4
6
8
Distanz (mm)
10
12
LBIC - Messung
LBIC steht für light beam induced current (durch einen
Lichtstrahl erzeugter Strom)
EQE (externe Quanteneffizienz) … Verhältnis der einfallenden Photonen
zu den erzeugten Ladungsträgern
Reflexion
LBIC – Messungen an
Referenzmodulen
EQE
~ 10 %
Licht das neben die Solarzellen trifft wird
kaum (< 10%) „recycelt“
Reflexion
gemessen wurde bei einer Wellenlänge von 658 nm
LBIC – Messungen für Module
mit lichtlenkenden Folien
EQE
Licht das neben die Solarzellen trifft wird
zu ca. 60% „recycelt“
Reflexion
gemessen wurde bei einer Wellenlänge von 658 nm
LBIC -Vergleich
Referenzmodul – lichtlenkende Folie
Referenzmodul
Modul mit lichtlenkenden Folien
Schlussfolgerungen und
Ausblick
Lichtlenkende Elemente lassen sich in der EVA Verkapselung mittels
Laserprozess herstellen
Erste Ergebnisse zeigen, dass optische Verluste um bis zu 17% reduziert
werden können
Gute Ergebnisse mit flächigen lichtlenkenden Folien. Licht das neben die
Solarzellen trifft wird zu ca. 60% „recycelt“.
Lichtlenkende Folien sind potenziell gut geeignet, insbesondere den
Rand eines Moduls effizienter zu nutzen
Ausblick:
Abschattungsverluste durch Metallisierung sollen halbiert werden
70% des Lichtes, das auf einen 1 cm breiten Rand fällt, soll nutzbar
gemacht werden
Danksagung
• Gerhard Peharz
• Ladislav Kuna
• Wolfgang Nemitz
Dieses Projekt wird aus Mitteln des Klima- und Energiefonds gefördert
und im Rahmen des Programms “NEUE ENERGIEN 2020”
durchgeführt.
KONTAKT
JOANNEUM RESEARCH
MATERIALS
Mag. Dr. Gerhard Peharz
Telefon: +43 316 876-3205
E-Mail: [email protected]
www.joanneum.at/materials