Publikation:

Bifacial Solar Cells : High Efficiency Design, Characterization, Modules and Applications

Lade...
Vorschaubild

Dateien

Dissertation_C.Duran.pdf
Dissertation_C.Duran.pdfGröße: 5.91 MBDownloads: 5888

Datum

2012

Autor:innen

Herausgeber:innen

Kontakt

ISSN der Zeitschrift

Electronic ISSN

ISBN

Bibliografische Daten

Verlag

Schriftenreihe

Auflagebezeichnung

DOI (zitierfähiger Link)
ArXiv-ID

Internationale Patentnummer

Angaben zur Forschungsförderung

Projekt

Open Access-Veröffentlichung
Open Access Green
Core Facility der Universität Konstanz

Gesperrt bis

Titel in einer weiteren Sprache

Publikationstyp
Dissertation
Publikationsstatus
Published

Erschienen in

Zusammenfassung

Economic growth is bound to energy consumption. Because anthropogenic emissions of carbon dioxide result primarily from the combustion of fossil fuels, energy consumption is at the center of the climate change debate.


The goals of the European Union for 2020 were set: "the renewable energies should
have a 20% share of the total energy production and the overall CO2 emission should be reduced by 20%" [ERE].


One way to achieve the proposed international goals is the use of photovoltaic solar energy. The growth rate of PV during 2011 reached almost 70%, an outstanding level among all renewable technologies [EPI]. This work is based on crystalline silicon and it explains the necessary processing steps to create a bifacial solar cell from a crystalline silicon substrate.


Different structures for bifacial solar cells can be obtained using different processes. One of these structures was explained in detail, describing every step of the process to
understand how the pn+, the pp+ junctions and the metal contacts are formed. It also explained the processing details to clean the silicon substrates before and after processing and most of the chemical reactions involved. The most decisive step in our process was the boron diffusion; it marked the difference to the standard solar cell process and it also represented the major challenge.


After several attempts of process sequences and optimization of most fabrication steps, a final device was presented. It was published in 2010 by the author. The device can be manufactured with good reproducibility and reliability of the results in large quantities, within a small range of satisfactory efficiencies for the front side as well as for the rear side.


We processed the first batch of 50 solar cells in 2008 obtaining 15.3% efficiency for the front side and 9.9% for the rear side. After the optimization of most processing steps, the best efficiency was 17.3% and 15% for the front and rear side of the device, respectively. The process was stable and could be extended up to 200 cells per batch. The total light induced degradation of the cells was less than 2% in average for the front and rear side, fulfilling the requirements for solar cell industry.


A novel concept was applied for the first time to this type of device. The laser doping technique was tested over boron diffused substrates and solar cells were further processed. Combining our standard process with the laser doping, solar cell efficiencies of 18% for the front side and 17% for the rear side can be reached.


An important challenge of special interest was the way these devices are measured. A solution and guideline was proposed to avoid mistakes when measuring bifacial solar cells and other light passing-through devices. We presented the most used characterization techniques for solar cells. These are I-V curve and spectral response. To characterize bifacial solar cells realistically it is necessary to consider the structure of the devices and their interaction with the measurement system. We identified and quantified the influence of different chuck reflectances for bifacial
solar cells, which can be up to 1% in short circuit current and efficiency.


An alternative for bifacial measurement and quick classification of bifacial solar cells was presented. It allowed simultaneous front and rear illumination and gave more comprehensive information of the bifacial solar cell performance.
It is important to mention that, there is no measuring standard yet for bifacial solar cells. We believe our study is a contribution to further define these standards. Selecting some of the finished bifacial solar cells we constructed bifacial solar modules, using different transparent rear foil sheets. Measurements using these modules were performed in Italy and in the city of Konstanz. Under several measurement conditions, the modules have exceeded our expectations of performance showing their maximum potential. Bifacial solar cells were laminated using a high reflecting rear foil. In this case the increase can be up to 8% comparing the cell before and after lamination. When we used a black foil for lamination, a reduction of about 3% relative in efficiency was observed.


When measuring bifacial solar modules the reflectivity of the underlying surface plays an important role; we have measured an average increase of up to 7.9% (relative) of the bifacial mode compared to the monofacial mode. The highest increase was 20% in our experiment.


The size of the underlying area exposed to direct sunlight plays also an important role. We have found that the usable area to reflect the light is 36 times the area of the module. To install this type of modules it is better to use a large separation from the ground and between modules, to take advantage of the reflections from the natural surfaces.


Bifacial modules are versatile and they always present a higher performance compared to monofacial modules. The elevated performance of these modules will depend on the application they are used and the albedo amount they may collect. First applications of bifacial PV modules were for space. Later, the focus was the optimization of the albedo collection. Currently, the applications are very varied, being part of the architecture of a city and contributing to the energy supply.
To conclude, a high efficiency design for bifacial solar cells was presented in this
work. Cells were manufactured, measured and bifacial PV modules were further laminated. Indoor and outdoor measurement showed the great performance of this concept. Finally, some applications of these systems were presented.

Zusammenfassung in einer weiteren Sprache

Wirtschaftswachstum und Energiekonsum sind eng miteinander verknüpft. Da die anthropogenen Kohlendioxid-Emissionen hauptsächlich auf die Verbrennung von fossilen Energieträgern zurückzuführen sind, nimmt der Energieverbrauch eine zentrale Stellung in der Debatte über den Klimawandel ein.

Die Ziele der Europäischen Union für 2020 wurden wie folgt festgelegt: "Die erneuerbaren Energien sollen 20% der Gesamt-Energieproduktion ausmachen und die
Kohlendioxid-Emissionen um 20% reduziert werden" [ERE]. Ein Weg, diese international vorgeschlagenen Ziele zu erreichen, ist der Einsatz der Photovoltaik (PV). Im Jahr 2011 erreichte das jährliche Wachstum von PV beinahe 70%, ein herausragendes Niveau unter den erneuerbaren Energien [EPI].


Die vorliegende Arbeit basiert auf kristallinen Siliziumsolarzellen und erklärt die notwendigen Schritte, um eine bifaziale Solarzelle aus einem kristallinen Siliziumsubstrat herzustellen. Verschiedenste Strukturen von bifazialen Solarzellen können über unterschiedliche Prozesse realisiert werden: Eine dieser Strukturen wird hier konkret im Detail erklärt, wobei jeder Prozess-Schritt beschrieben wird, um zu verstehen, wie die pn+ und pp+ Übergänge und die Metall-Halbleiter-Kontakte gebildet werden. Außerdem wird die Reinigung des Siliziumsubstrats vor und nach jedem Prozess-Schritt erklärt sowie die meisten chemischen Reaktionen, die dabei eine Rolle spielen. Der entscheidendste Schritt in unserem Prozess ist die Bor-Diffusion. Er ist der
Hauptunterschied zum Standard-Solarzellen-Prozess und auch die größte Herausforderung. Nach dem Test unterschiedlicher Prozess-Sequenzen und der Optimierung der meisten Prozess-Schritte konnte eine endgültige Version vorgestellt werden.

Diese wurde 2010 von der Autorin veröffentlicht. Diese Solarzelle kann bei guter Reproduzierbarkeit und Zuverlässigkeit der Messdaten in großer Zahl hergestellt werden, wobei der Zellwirkungsgrad der Vorder- als auch der Rückseite zufriedenstellend ist und eine kleine Streuung aufweist. Wir stellten 2008 die erste Charge von 50 Solarzellen her und erzielten dabei einen Wirkungsgrad von 15,3 % (Vorderseite) bzw. 9,9 % (Rückseite). Nach der Optimierung der meisten Zellprozesse lag der beste Wirkungsgrad bei 17.3% (Vorderseite) bzw. 15% (Rückseite). Der Prozess war stabil und pro Charge konnten bis zu 200 Zellen hergestellt werden. Die gesamte lichtinduzierte Degradation (LID) der Zellen lag für die Vorder- und Rückseite im Mittel unter 2% und erfüllt damit die Anforderungen der Solarzellenindustrie. Zum ersten Mal wurde ein neues Konzept für diesen Typ von Solarzellen getestet. Die Technik der Laser-Dotierung wurde auf Substrate mit einer Bor-Dotierung angewandt und anschließend Solarzellen hergestellt. Die Kombination von Laserdotierung und unserem
Standardprozess führte zu Zellwirkungsgraden von 18% (Vorderseite) bzw.17% (Rückseite). Die Messung bifazialer Solarzellen stellt eine große Herausforderung dar, die von besonderem Interesse ist. Eine Lösung und eine Richtlinie werden hier vorgeschlagen, um Fehler bei der Messung bifazialer Solarzellen und anderer Zellkonzepte, bei denen Licht auf der Rückseite austritt, zu vermeiden. Wir stellen die gebräuchlichsten Charakterisierungs-Methoden für Solarzellen vor: I-V-Messungen und "spectral response".

Um bifaziale Solarzellen realitätsnah zu
charakterisieren, ist es wichtig, die Struktur der Zellen und ihre Wechselwirkung mit dem Mess-System zu beachten. Wir untersuchten und quantifizierten den Einfluss verschiedener "Chuck"-Reflexionsgrade; der Einfluss auf Kurzschlussstrom und Wirkungsgrad kann dabei bis zu 1% relativ betragen.


Ein alternatives Konzept zur Messung und die schnelle Klassifizierung bifazialer Zellen wurde vorgestellt. Es erlaubt die gleichzeitige Beleuchtung von Vorder- und Rückseite und liefert umfassendere Informationen zur der Leistung von bifazialen Solarzellen. Es ist dabei wichtig zu erwähnen, dass zurzeit noch kein Standard für die Messung von bifazialen Solarzellen existiert.

Wir denken, unsere Studie kann dazu beitragen, einen solchen Standard festzulegen. Aus den hergestellten bifazialen Solarzellen wurden unter Verwendung verschiedener transparenter Rückseitenfolien bifaziale Solarmodule hergestellt. Messungen an diesen
Modulen wurden in Italien und in Konstanz durchgeführt. Unter verschiedenen
Messbedingungen haben die Module unsere Erwartungen in Bezug auf die Leistung
übertroffen und ihr maximales Potential gezeigt.

Bifaziale Solarzellen wurden auch mit einer hochreflektiven Rückseitenfolie einlaminiert. In diesem Fall beträgt der Wirkungsgradgewinn bis zu 8% relativ im Vergleich zum Zellwirkungsgrad vor der Laminierung. Mit einer schwarzen Rückseitenfolie beobachteten wir dagegen eine Reduktion von 3% relativ. Für die Messung bifazialer Solarmodule sind die Reflexionseigenschaften der Fläche unter dem Modul wichtig. Im Vergleich zu einem rein monofazialen Betrieb haben wir bifazial im Mittel einen Zuwachs von 7.9% (relativ) gemessen, wobei der höchste gemessene Zuwachs in unserem Experiment 20% (relativ) betrug. Der Anteil der Fläche unter dem Modul, welche der direkten Sonneneinstrahlung
ausgesetzt ist, spielt ebenfalls eine wichtige Rolle. Wir fanden heraus, dass die Fläche, die für die Reflexion genutzt werden kann, 36-mal so groß wie die Modulfläche ist. Um die Reflexion des natürlichen Untergrundes optimal zu nutzen, ist es daher besser, die Distanz der Module untereinander und vom Boden groß zu wählen. Bifaziale Module sind vielseitig und weisen immer eine höhere Leistung auf als vergleichbare monofaziale Module. Die höhere Leistung hängt von der Art der Verwendung und dem Anteil der Albedo ab, den die Module "einfangen" können.


Die Raumfahrt war das erste Anwendungsgebiet für bifaziale Module. Später verschob sich der Schwerpunkt Richtung optimaler Nutzung der Albedo. Im Moment sind die Anwendungen sehr unterschiedlich, unter anderem in der Stadtarchitektur, wo sie zur Energieversorgung beitragen.


Ein bifaziales Solarzellen-Design mit hohem Wirkungsgrad wurde in dieser Arbeit vorgestellt. Solarzellen wurden hergestellt und gemessen; außerdem wurden bifaziale Solarmodule laminiert. Messungen unter Laborbedingungen und Freilandmessungen unterstreichen die gute Leistung dieses Konzepts. Zum Abschluss wurden einige Anwendungsgebiete für bifaziale Solarmodule präsentiert.

Fachgebiet (DDC)
530 Physik

Schlagwörter

Konferenz

Rezension
undefined / . - undefined, undefined

Forschungsvorhaben

Organisationseinheiten

Zeitschriftenheft

Zugehörige Datensätze in KOPS

Zitieren

ISO 690DURAN, Claudia, 2012. Bifacial Solar Cells : High Efficiency Design, Characterization, Modules and Applications [Dissertation]. Konstanz: University of Konstanz
BibTex
@phdthesis{Duran2012Bifac-20536,
  year={2012},
  title={Bifacial Solar Cells : High Efficiency Design, Characterization, Modules and Applications},
  author={Duran, Claudia},
  address={Konstanz},
  school={Universität Konstanz}
}
RDF
<rdf:RDF
    xmlns:dcterms="http://purl.org/dc/terms/"
    xmlns:dc="http://purl.org/dc/elements/1.1/"
    xmlns:rdf="http://www.w3.org/1999/02/22-rdf-syntax-ns#"
    xmlns:bibo="http://purl.org/ontology/bibo/"
    xmlns:dspace="http://digital-repositories.org/ontologies/dspace/0.1.0#"
    xmlns:foaf="http://xmlns.com/foaf/0.1/"
    xmlns:void="http://rdfs.org/ns/void#"
    xmlns:xsd="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#" > 
  <rdf:Description rdf:about="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/20536">
    <dcterms:hasPart rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/bitstream/123456789/20536/2/Dissertation_C.Duran.pdf"/>
    <dc:rights>terms-of-use</dc:rights>
    <dc:contributor>Duran, Claudia</dc:contributor>
    <void:sparqlEndpoint rdf:resource="http://localhost/fuseki/dspace/sparql"/>
    <dcterms:rights rdf:resource="https://rightsstatements.org/page/InC/1.0/"/>
    <dc:date rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#dateTime">2012-09-20T10:58:22Z</dc:date>
    <dcterms:title>Bifacial Solar Cells : High Efficiency Design, Characterization, Modules and Applications</dcterms:title>
    <dc:creator>Duran, Claudia</dc:creator>
    <dcterms:abstract xml:lang="eng">Economic growth is bound to energy consumption. Because anthropogenic emissions of carbon dioxide result primarily from the combustion of fossil fuels, energy consumption is at the center of the climate change debate.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;The goals of the European Union for 2020 were set: "the renewable energies should&lt;br /&gt;have a 20% share of the total energy production and the overall CO2 emission should be reduced by 20%" [ERE].&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;One way to achieve the proposed international goals is the use of photovoltaic solar energy. The growth rate of PV during 2011 reached almost 70%, an outstanding level among all renewable technologies [EPI]. This work is based on crystalline silicon and it explains the necessary processing steps to create a bifacial solar cell from a crystalline silicon substrate.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;Different structures for bifacial solar cells can be obtained using different processes. One of these structures was explained in detail, describing every step of the process to&lt;br /&gt;understand how the pn+, the pp+ junctions and the metal contacts are formed. It also explained the processing details to clean the silicon substrates before and after processing and most of the chemical reactions involved. The most decisive step in our process was the boron diffusion; it marked the difference to the standard solar cell process and it also represented the major challenge.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;After several attempts of process sequences and optimization of most fabrication steps, a final device was presented. It was published in 2010 by the author. The device can be manufactured with good reproducibility and reliability of the results in large quantities, within a small range of satisfactory efficiencies for the front side as well as for the rear side.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;We processed the first batch of 50 solar cells in 2008 obtaining 15.3% efficiency for the front side and 9.9% for the rear side. After the optimization of most processing steps, the best efficiency was 17.3% and 15% for the front and rear side of the device, respectively. The process was stable and could be extended up to 200 cells per batch. The total light induced degradation of the cells was less than 2% in average for the front and rear side, fulfilling the requirements for solar cell industry.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;A novel concept was applied for the first time to this type of device. The laser doping technique was tested over boron diffused substrates and solar cells were further processed. Combining our standard process with the laser doping, solar cell efficiencies of 18% for the front side and 17% for the rear side can be reached.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;An important challenge of special interest was the way these devices are measured. A solution and guideline was proposed to avoid mistakes when measuring bifacial solar cells and other light passing-through devices. We presented the most used characterization techniques for solar cells. These are I-V curve and spectral response. To characterize bifacial solar cells realistically it is necessary to consider the structure of the devices and their interaction with the measurement system. We identified and quantified the influence of different chuck reflectances for bifacial&lt;br /&gt;solar cells, which can be up to 1% in short circuit current and efficiency.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;An alternative for bifacial measurement and quick classification of bifacial solar cells was presented. It allowed simultaneous front and rear illumination and gave more comprehensive information of the bifacial solar cell performance.&lt;br /&gt;It is important to mention that, there is no measuring standard yet for bifacial solar cells. We believe our study is a contribution to further define these standards. Selecting some of the finished bifacial solar cells we constructed bifacial solar modules, using different transparent rear foil sheets. Measurements using these modules were performed in Italy and in the city of Konstanz. Under several measurement conditions, the modules have exceeded our expectations of performance showing their maximum potential. Bifacial solar cells were laminated using a high reflecting rear foil. In this case the increase can be up to 8% comparing the cell before and after lamination. When we used a black foil for lamination, a reduction of about 3% relative in efficiency was observed.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;When measuring bifacial solar modules the reflectivity of the underlying surface plays an important role; we have measured an average increase of up to 7.9% (relative) of the bifacial mode compared to the monofacial mode. The highest increase was 20% in our experiment.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;The size of the underlying area exposed to direct sunlight plays also an important role. We have found that the usable area to reflect the light is 36 times the area of the module. To install this type of modules it is better to use a large separation from the ground and between modules, to take advantage of the reflections from the natural surfaces.&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;&lt;br /&gt;Bifacial modules are versatile and they always present a higher performance compared to monofacial modules. The elevated performance of these modules will depend on the application they are used and the albedo amount they may collect. First applications of bifacial PV modules were for space. Later, the focus was the optimization of the albedo collection. Currently, the applications are very varied, being part of the architecture of a city and contributing to the energy supply.&lt;br /&gt;To conclude, a high efficiency design for bifacial solar cells was presented in this&lt;br /&gt;work. Cells were manufactured, measured and bifacial PV modules were further laminated. Indoor and outdoor measurement showed the great performance of this concept. Finally, some applications of these systems were presented.</dcterms:abstract>
    <dc:language>eng</dc:language>
    <foaf:homepage rdf:resource="http://localhost:8080/"/>
    <dcterms:isPartOf rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/41"/>
    <bibo:uri rdf:resource="http://kops.uni-konstanz.de/handle/123456789/20536"/>
    <dcterms:available rdf:datatype="http://www.w3.org/2001/XMLSchema#dateTime">2012-09-20T10:58:22Z</dcterms:available>
    <dcterms:issued>2012</dcterms:issued>
    <dspace:hasBitstream rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/bitstream/123456789/20536/2/Dissertation_C.Duran.pdf"/>
    <dspace:isPartOfCollection rdf:resource="https://kops.uni-konstanz.de/server/rdf/resource/123456789/41"/>
  </rdf:Description>
</rdf:RDF>

Interner Vermerk

xmlui.Submission.submit.DescribeStep.inputForms.label.kops_note_fromSubmitter

Kontakt
URL der Originalveröffentl.

Prüfdatum der URL

Prüfungsdatum der Dissertation

September 6, 2012
Finanzierungsart

Kommentar zur Publikation

Allianzlizenz
Corresponding Authors der Uni Konstanz vorhanden
Internationale Co-Autor:innen
Universitätsbibliographie
Begutachtet
Diese Publikation teilen