Analyse des Leistungsverhaltens von Mehrfachsolarzellen unter realen Einsatzbedingungen
Analyse des Leistungsverhaltens von Mehrfachsolarzellen unter realen Einsatzbedingungen
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2008
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Siefer, Gerald
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Analysis of the performance of multi-junction solar cells under realistic operating conditions
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Dissertation
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Abstract
With this work important contributions on the area of the characterization and calibration of multi-junction solar cells under standard testing conditions and under concentration, as well as for a better understanding and for the modeling of concentrator systems, were made.
In the frame of this work a flash based measurement set-up was built up. In this way, the calibration opportunities of the calibration laboratory at Fraunhofer ISE could be extended, by developing a routine for the reduction of measurement uncertainty for the calibration of multi-junction solar cells under concentration. The ISE CalLab is thus, besides NREL in the USA, the only institution being able to perform calibrated measurements of multi-junction cells under concentration. However, a prerequisite for the calibration under concentration is the calibration at standard testing conditions and the verification of the cell s linearity, for which a method based on the spectral response measurement, was proposed. With the help of this method, effects, indicting a non-linearity, could firstly be observed, however not finally be explained. In this context the work performed here corresponds to pioneer work and further works have to concentrate on this topic. Concerning the calibration under concentration, the effect of the use of a poorly matched spectrum, was quantified. The effect of reduction in fill factor under concentration with excess current of the top cell could be reproduced. For the first time in this work a possible explanation for this effect could be given, basing on a carrier transfer from the top to the middle subcell by radiative recombination.
Another main topic of the work is the temperature dependence of the IV parameters of III-V solar cells. Starting from a theoretical consideration and based on the up to now most detailed measurement campaign worldwide, a set of temperature coefficients was generated, which is essential for the modeling of concentrator systems. The unexpected effect of a decrease in EQE of the top cell with increasing temperature could be explained by the increasing absorption in the window layer. All in all a contribution towards a better understanding of the temperature dependence of III-V solar cells could be made. Especially the data sets of the temperature coefficients of dual- and triple-junction solar cells under concentration are unique up to now.
Besides the indoor calibration of concentrator solar cells also outdoor measurements of concentrator modules were one focus of this work. Thereto a set-up for the continuous measurement of concentrator modules has been designed. As a start, the irradiation resource for concentrator modules has been discussed in detail. It turned out, that only for very sunny locations a concentrator module will have a higher irradiation resource available in comparison to a fixed mounted flat plate module. Nevertheless, analysis of long term measurement data showed, that even for Freiburg (which is not a preferable location for concentrator PV) a FLATCON module of the first generation delivers a yearly sum of energy, which is comparable to standard flat plate modules. For sunny locations and application of FLATCON modules with higher efficiency that are available now, this ratio will be shifted in favor of the concentrator modules.
Starting from the analysis of the measurements of a FLATCON module on one certain day, the difficulty of the dependence of the module parameters on the incident spectrum was illustrated - a simple correlation of module performance with meteorological data is not possible. With the aid of measured direct sun spectra it could be shown that if such spectral data is available, a correlation of the module s short circuit current with the solar spectrum can be established. Topic of future works will be amongst other things the definition of a simple measurement method in order to assess the parameter "spectrum".
Finally a method has been presented, with which the heating of the solar cells in a concentrator module can be determined, based on indoor measurements of the solar cells. It could be shown that although only passive cooling is used, the temperature of the solar cells does not necessarily have to be drastically above the temperature of flat plate modules. Using the data on temperature dependence of multi-junction cells, it could be shown, that the temperature related losses in a FLATCON module is smaller by a factor of two compared to standard flat plate modules.
In the frame of this work a flash based measurement set-up was built up. In this way, the calibration opportunities of the calibration laboratory at Fraunhofer ISE could be extended, by developing a routine for the reduction of measurement uncertainty for the calibration of multi-junction solar cells under concentration. The ISE CalLab is thus, besides NREL in the USA, the only institution being able to perform calibrated measurements of multi-junction cells under concentration. However, a prerequisite for the calibration under concentration is the calibration at standard testing conditions and the verification of the cell s linearity, for which a method based on the spectral response measurement, was proposed. With the help of this method, effects, indicting a non-linearity, could firstly be observed, however not finally be explained. In this context the work performed here corresponds to pioneer work and further works have to concentrate on this topic. Concerning the calibration under concentration, the effect of the use of a poorly matched spectrum, was quantified. The effect of reduction in fill factor under concentration with excess current of the top cell could be reproduced. For the first time in this work a possible explanation for this effect could be given, basing on a carrier transfer from the top to the middle subcell by radiative recombination.
Another main topic of the work is the temperature dependence of the IV parameters of III-V solar cells. Starting from a theoretical consideration and based on the up to now most detailed measurement campaign worldwide, a set of temperature coefficients was generated, which is essential for the modeling of concentrator systems. The unexpected effect of a decrease in EQE of the top cell with increasing temperature could be explained by the increasing absorption in the window layer. All in all a contribution towards a better understanding of the temperature dependence of III-V solar cells could be made. Especially the data sets of the temperature coefficients of dual- and triple-junction solar cells under concentration are unique up to now.
Besides the indoor calibration of concentrator solar cells also outdoor measurements of concentrator modules were one focus of this work. Thereto a set-up for the continuous measurement of concentrator modules has been designed. As a start, the irradiation resource for concentrator modules has been discussed in detail. It turned out, that only for very sunny locations a concentrator module will have a higher irradiation resource available in comparison to a fixed mounted flat plate module. Nevertheless, analysis of long term measurement data showed, that even for Freiburg (which is not a preferable location for concentrator PV) a FLATCON module of the first generation delivers a yearly sum of energy, which is comparable to standard flat plate modules. For sunny locations and application of FLATCON modules with higher efficiency that are available now, this ratio will be shifted in favor of the concentrator modules.
Starting from the analysis of the measurements of a FLATCON module on one certain day, the difficulty of the dependence of the module parameters on the incident spectrum was illustrated - a simple correlation of module performance with meteorological data is not possible. With the aid of measured direct sun spectra it could be shown that if such spectral data is available, a correlation of the module s short circuit current with the solar spectrum can be established. Topic of future works will be amongst other things the definition of a simple measurement method in order to assess the parameter "spectrum".
Finally a method has been presented, with which the heating of the solar cells in a concentrator module can be determined, based on indoor measurements of the solar cells. It could be shown that although only passive cooling is used, the temperature of the solar cells does not necessarily have to be drastically above the temperature of flat plate modules. Using the data on temperature dependence of multi-junction cells, it could be shown, that the temperature related losses in a FLATCON module is smaller by a factor of two compared to standard flat plate modules.
Summary in another language
Durch die vorliegende Arbeit werden wichtige Beiträge auf dem Gebiet der Charakterisierung und Kalibrierung von Mehrfachsolarzellen unter Normbedingungen und unter Konzentration sowie zum besseren Verständnis und der Modellierung von Konzentratorsystemen geleistet.
Mit Hilfe des im Rahmen dieser Arbeit aufgebauten Blitzlichtmessplatz konnte die Kalibrierumgebung des Kalibrierlabors des Fraunhofer ISE erweitert werden, indem eine Methode zur Verringerung der Messunsicherheit für Kalibrierungen von Mehrfachsolarzellen unter Konzentration entwickelt wurde. Das ISE CalLab ist somit neben dem NREL in den USA die einzige Institution, die die Kalibrierung von Mehrfachsolarzellen unter konzentriertem Licht durchführen kann. Voraussetzung für eine Kalibrierung unter Konzentration ist jedoch die Kalibrierung bei Normbedingungen und die Überprüfung der Linearität der Solarzellen, für welche eine Methode basierend auf der spektralen Empfindlichkeitsmessung vorgeschlagen wurde. Mit Hilfe dieser konnten bisher nicht beobachtete Effekte, die auf Nichtlinearitäten hinweisen, nachgewiesen werden, jedoch nicht abschließend bewertet werden. Dies zeigt, dass die vorliegende Arbeit hier Pionierarbeit leistet und noch weitere zukünftige Arbeiten sich mit diesem Themenkomplex beschäftigen werden müssen. Was die Kalibrierung unter Konzentration betrifft, konnte der Einfluss der Verwendung eines falsch angepassten Spektrums für die Kalibrierung quantifiziert werden. Der Effekt einer Füllfaktorreduzierung unter Konzentration bei Überschussstrom der Oberzelle konnte reproduziert werden. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmals eine mögliche Erklärung für diesen Effekt, durch einen Ladungsträgertransfer von der Oberzelle in die darunterliegende Teilzelle mittels strahlender Rekombination, gegeben werden.
Ein weiterer Themenschwerpunkt der Arbeit ist das Temperaturverhalten der IV Parameter von III V Solarzellen bei Änderung der Temperatur. Ausgehend von einer theoretischen Betrachtung der Abhängigkeiten, wurden mittels der bisher weltweit ausführlichsten Messkampagne Datensätze von Temperaturkoeffizienten erzeugt, die für die Modellierung von Konzentratorgezeigt Temperaturbedingten systemen grundlegend sind. Ein unerwarteter Effekt der Abnahme der EQE der Oberzelle einer Tripelzelle mit steigender Temperatur konnte auf eine mit der Temperatur steigenden Absorption in der Fensterschicht erklärt werden. Insgesamt konnte ein Beitrag zum besseren Verständnis des Temperaturverhaltens von III V Solarzellen erzielt werden. Speziell die Datensätze zu dem Temperaturkoeffizienten von Tandem- und Tripelsolarzellen unter konzentriertem Licht sind bisher einmalig.
Neben der Kalibrierung von Konzentratorsolarzellen unter Laborbedingungen waren Außenmessungen von Konzentratormodulen ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit. Hierzu wurde ein Messplatz zur kontinuierlichen Vermessung von Konzentratormodulen konzipiert und aufgebaut. Zunächst wurde jedoch auf die Frage der einem Konzentratorsystem zur Verfügung stehenden Einstrahlungsressource ausführlich eingegangen. Es zeigte sich, dass diese lediglich an sehr sonnenreichen Standorten über derjenigen liegt, die einem herkömmlichen Flachmodul zur Verfügung steht. Trotzdem konnte durch die Analyse von Langzeitaußenmessung gezeigt werden, dass selbst für den (für Konzentratorsysteme nicht idealen) Standort Freiburg ein FLATCON Konzentratormodul der ersten Generation einen mit einem Flachmodul vergleichbaren Energieertrag liefert. Für sonnenreichere Standorte, beziehungsweise beim Einsatz von mittlerweile verfügbaren FLATCON Modulen mit deutlich höheren mittleren Wirkungsgraden, verschiebt sich dieses Verhältnis deutlich zu Gunsten der Konzentratormodule.
Ausgehend der Analyse von Messungen eines FLATCON Moduls an einem speziellen Tag wurde die Problematik der Abhängigkeit der Modulparameter vom eingestrahlten Spektrum erläutert. Eine einfache Korrelation der Modulleistung mit Wetterdaten ist nicht möglich. Mit Hilfe von gemessenen direkten Sonnenspektren konnte gezeigt werden, dass wenn diese Daten verfügbar sind, eine Korrelation des Modulstromes mit dem Sonnenspektrum möglich ist. Thema zukünftiger Arbeiten wird unter anderem die Suche nach einer vereinfachenden Messmöglichkeit für die Größe Spektrum . sein.
Schließlich wurde eine im Rahmen der Arbeit entwickelte Methode vorgestellt, mit Hilfe derer basierend auf Labormessungen die Erwärmung der Solarzellen in einem Konzentratormodul ermittelt werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass auch bei passiver Kühlung alleine, die Temperatur einer Solarzelle in einem Konzentratormodul nicht wesentlich höher sein muss als bei einem herkömmlichen Flachmodul. Mit den Daten zum Temperaturverhalten von Mehrfachsolarzellen unter Konzentration konnte gezeigt werden, dass die Temperaturbedingten Verlust in der Ausgangsleistung bei den FLATCON Modulen mindestens um einen Faktor zwei kleiner sind, verglichen mit einem Standard Flachmodul.
Mit Hilfe des im Rahmen dieser Arbeit aufgebauten Blitzlichtmessplatz konnte die Kalibrierumgebung des Kalibrierlabors des Fraunhofer ISE erweitert werden, indem eine Methode zur Verringerung der Messunsicherheit für Kalibrierungen von Mehrfachsolarzellen unter Konzentration entwickelt wurde. Das ISE CalLab ist somit neben dem NREL in den USA die einzige Institution, die die Kalibrierung von Mehrfachsolarzellen unter konzentriertem Licht durchführen kann. Voraussetzung für eine Kalibrierung unter Konzentration ist jedoch die Kalibrierung bei Normbedingungen und die Überprüfung der Linearität der Solarzellen, für welche eine Methode basierend auf der spektralen Empfindlichkeitsmessung vorgeschlagen wurde. Mit Hilfe dieser konnten bisher nicht beobachtete Effekte, die auf Nichtlinearitäten hinweisen, nachgewiesen werden, jedoch nicht abschließend bewertet werden. Dies zeigt, dass die vorliegende Arbeit hier Pionierarbeit leistet und noch weitere zukünftige Arbeiten sich mit diesem Themenkomplex beschäftigen werden müssen. Was die Kalibrierung unter Konzentration betrifft, konnte der Einfluss der Verwendung eines falsch angepassten Spektrums für die Kalibrierung quantifiziert werden. Der Effekt einer Füllfaktorreduzierung unter Konzentration bei Überschussstrom der Oberzelle konnte reproduziert werden. In der vorliegenden Arbeit konnte erstmals eine mögliche Erklärung für diesen Effekt, durch einen Ladungsträgertransfer von der Oberzelle in die darunterliegende Teilzelle mittels strahlender Rekombination, gegeben werden.
Ein weiterer Themenschwerpunkt der Arbeit ist das Temperaturverhalten der IV Parameter von III V Solarzellen bei Änderung der Temperatur. Ausgehend von einer theoretischen Betrachtung der Abhängigkeiten, wurden mittels der bisher weltweit ausführlichsten Messkampagne Datensätze von Temperaturkoeffizienten erzeugt, die für die Modellierung von Konzentratorgezeigt Temperaturbedingten systemen grundlegend sind. Ein unerwarteter Effekt der Abnahme der EQE der Oberzelle einer Tripelzelle mit steigender Temperatur konnte auf eine mit der Temperatur steigenden Absorption in der Fensterschicht erklärt werden. Insgesamt konnte ein Beitrag zum besseren Verständnis des Temperaturverhaltens von III V Solarzellen erzielt werden. Speziell die Datensätze zu dem Temperaturkoeffizienten von Tandem- und Tripelsolarzellen unter konzentriertem Licht sind bisher einmalig.
Neben der Kalibrierung von Konzentratorsolarzellen unter Laborbedingungen waren Außenmessungen von Konzentratormodulen ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit. Hierzu wurde ein Messplatz zur kontinuierlichen Vermessung von Konzentratormodulen konzipiert und aufgebaut. Zunächst wurde jedoch auf die Frage der einem Konzentratorsystem zur Verfügung stehenden Einstrahlungsressource ausführlich eingegangen. Es zeigte sich, dass diese lediglich an sehr sonnenreichen Standorten über derjenigen liegt, die einem herkömmlichen Flachmodul zur Verfügung steht. Trotzdem konnte durch die Analyse von Langzeitaußenmessung gezeigt werden, dass selbst für den (für Konzentratorsysteme nicht idealen) Standort Freiburg ein FLATCON Konzentratormodul der ersten Generation einen mit einem Flachmodul vergleichbaren Energieertrag liefert. Für sonnenreichere Standorte, beziehungsweise beim Einsatz von mittlerweile verfügbaren FLATCON Modulen mit deutlich höheren mittleren Wirkungsgraden, verschiebt sich dieses Verhältnis deutlich zu Gunsten der Konzentratormodule.
Ausgehend der Analyse von Messungen eines FLATCON Moduls an einem speziellen Tag wurde die Problematik der Abhängigkeit der Modulparameter vom eingestrahlten Spektrum erläutert. Eine einfache Korrelation der Modulleistung mit Wetterdaten ist nicht möglich. Mit Hilfe von gemessenen direkten Sonnenspektren konnte gezeigt werden, dass wenn diese Daten verfügbar sind, eine Korrelation des Modulstromes mit dem Sonnenspektrum möglich ist. Thema zukünftiger Arbeiten wird unter anderem die Suche nach einer vereinfachenden Messmöglichkeit für die Größe Spektrum . sein.
Schließlich wurde eine im Rahmen der Arbeit entwickelte Methode vorgestellt, mit Hilfe derer basierend auf Labormessungen die Erwärmung der Solarzellen in einem Konzentratormodul ermittelt werden kann. Es konnte gezeigt werden, dass auch bei passiver Kühlung alleine, die Temperatur einer Solarzelle in einem Konzentratormodul nicht wesentlich höher sein muss als bei einem herkömmlichen Flachmodul. Mit den Daten zum Temperaturverhalten von Mehrfachsolarzellen unter Konzentration konnte gezeigt werden, dass die Temperaturbedingten Verlust in der Ausgangsleistung bei den FLATCON Modulen mindestens um einen Faktor zwei kleiner sind, verglichen mit einem Standard Flachmodul.
Subject (DDC)
530 Physics
Keywords
concentrator photovoltaic,multi-junction solar cells,calibration
Conference
Review
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Cite This
ISO 690
SIEFER, Gerald, 2008. Analyse des Leistungsverhaltens von Mehrfachsolarzellen unter realen Einsatzbedingungen [Dissertation]. Konstanz: University of KonstanzBibTex
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Examination date of dissertation
December 1, 2008