Proge&o regione Veneto SMUPR n Polo di ricerca nel se&ore Fotovoltaico

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1 Proge&o regione Veneto SMUPR n Polo di ricerca nel se&ore Fotovoltaico WP6 Cara&erizzazione e affidabilità di celle solari (Gaudenzio Meneghesso) Proge'o regione Veneto - SMUPR n Polo di ricerca nel se'ore Fotovoltaico POR CRO PARTE FESR Azione a regia Regionale

2 WP 6 ObieJvi WP 6 Cara&erizzazione e affidabilità di celle solari Questo WP ha come obieovo la cosptuzione di un laboratorio integrato di cara'erizzazione di materiali e disposipvi per sistemi fotovoltaici. L aovità di ricerca del WP 6 sarà organizzata nei seguenp qua'ro tasks: Task 6.1: Cara&erizzazione chimico- fisica Task 6.2: Cara&erizzazione ele&ro- ojca e termica Task 6.3: Sviluppo di tecniche di diagnostca in- line Task 6.4: Affidabilità e robustezza

3 WP 6 Personale Coinvolto Gaudenzio Meneghesso (PO) Marco Barbato (PhD) Daniele Bari (PhD) Andrea Cester (RU) Ma'eo Meneghini (Assegnista) ValenPna Giliberto (Assegnista) Enrico Zanoni (PO) Nicola Wrachien (Assegnista) Antonio Marigo (PO) Antonio ToffoleO (PA) Camilla Ferrante (PA) Carla Marega (RU) Marilena Di ValenPn (RU) Mauro Sambi (RU) Lorenzo Franco (RU)

4 Task 6.1: Cara&erizzazione chimico- fisica Accanto alla cara'erizzazione funzionale, sarà svolta anche della ricerca fondamentale per comprendere a fondo la relazioni esistenp tra processing dei materiali, loro stru'ura ed efficienza fotovoltaica I dap di cara'erizzazione di questo task faranno da feedback e forniranno spunp per l oomizzazione delle celle fotovoltaiche.

5 Task 6.1: Cara&erizzazione chimico- fisica Task 6.1: Cara&erizzazione chimico- fisica Spettroscopie: IR, NMR, Raman, DBS, XRD, EPR, UV-VIS, ICP-AES

6 Task 6.1: Cara&erizzazione chimico- fisica Tecniche e strumentazioni acquisite nell ambito del PFV Strumentazione per Misure di efficienza quanpca spe'rale e per curve Tensione/corrente di celle fotovoltaiche

7 Task 6.1: Cara&erizzazione chimico- fisica Tecniche e strumentazioni acquisite nell ambito del PFV Diffrattometro SAXS: struttura ed ordinamento delle molecole nei film polimerici Laser + Lampada Xe per misure EPR : idenpficazione di portatori di carica fotogenerap in materiali organici Sistema GPC- HPLC per cara'erizzazione di polimeri semicondu'ori

8 Task 6.1: Cara&erizzazione chimico- fisica Tecniche e strumentazioni a disposizione del DiSC- PFV Tecniche termoanalitiche: Struttura e stabilità di materiali

9 Task 6.1: Cara&erizzazione chimico- fisica AJvità previste: q Cara'erizzazione stru'urale e morfologica di fullereni funzionalizzap, di polimeri semicondu'ori nanostru'urap e di miscele polimero/fullerene Assemblaggio e test di celle BHJ protoppo. Deliverables: q Nuove molecole e materiali, con completa caratterizzazione chimica e morfologica. Celle fotovoltaiche prototipo.

10 Task 6.2: Cara&erizzazione ele&ro- ojca e termica L aovità di ricerca sarà mirata alla cara'erizzazione ele'ro- ooca di celle solari fotovoltaiche basate su diverse tecnologie (e.g. celle solari su: silicio, semicondu'ore organico, III- V e a concentrazione). Tale aovità avrà un triplice scopo: (i) fornire informazioni sulle prestazioni di disposipvi fotovoltaici allo stato dell arte; (ii) fornire informazioni sulle cara'erispche ele'ro- ooche di disposipvi fotovoltaici research- grade, sviluppap o acquisip entro il proge'o; (iii) fornire dap sperimentali upli alla definizione di modelli teorici per la simulazione delle cara'erispche ele'roooche dei disposipvi.

11 Strumentazione Misuratore di parametri ele&rici di dispositvi ele&ronici Sistema di misura di ele&roluminescenza risolta spazialmente Camere climatche con umidità e atmosfera controllata Simulatore solare con possibilità di collimare il fascio luminoso su fibra ojca Thermal chuck Microscopio ojco con fotocamera

12 Task 6.2: Cara&erizzazione ele&ro- ojca e termica Misure Tensione- Corrente al variare delle condizioni di illuminazione Simulatore solare a LED à Perme'e di cara'erizzare le proprietà ele'ro- ooche delle celle a diversi livelli di illuminazione, e al variare dello spe'ro di eccitazione Questo studio perme'e di evidenziare problemapche Esempio à Analisi del ruolo della resistenza di shunt nel determinare le cara'erispche I- V di celle solari Current [A] Sun Cell1 0.2 Sun Cell2 0.2 Sun Cell Sun Cell1 0.4 Sun Cell2 0.4 Sun Cell Sun Cell1 0.6 Sun Cell2 0.6 Sun Cell Sun Cell1 0.8 Sun Cell2 0.8 Sun Cell Voltage [V]

13 Task 6.2: Cara&erizzazione ele&ro- ojca e termica Analisi morfologica dei contaj Correlazione tra fa'ore di forma, distribuzione dei finger e prestazioni ele'ro- ooche 100 µm Analisi tramite profiloetria ojca à Modeling cara'erispche ele'ro- ooche al variare di distribuzione/fa'ore dei forma e cara'erispche fisiche dei finger di celle solari realizzate mediante diverse paste/tecniche Esempio di misura profilometrica del finger di una cella solare

14 Task 6.2: Cara&erizzazione ele&ro- ojca e termica Telecamera raffreddata ad alta risoluzione per l osservazione fino a 1.1 µm Questo Ppo di telecamera perme'e di misurare il segnale di luminescenza emesso da celle solari nel visibile e nel vicino infrarosso. La fotocamera verrà uplizzata per la realizzazione di un sistema per l analisi dei difeo in celle o stringhe di celle solari: la presenza di difeo verrà rilevata mediante l analisi del segnale di luminescenza emesso dalle regioni ad elevata dife'osità. Termocamera calibrata Si acquisirà una termocamera calibrata per l analisi termica di celle solari. Tale strumento perme'e di rilevare la distribuzione di temperatura sulla superficie di celle o stringhe di celle solari, in maniera semplice e rapida. Anche questo strumento verrà uplizzato per l implementazione di un protocollo di verifica della qualità di celle solari in fase di produzione.

15 Task 6.2: Cara&erizzazione ele&ro- ojca e termica Misure di ele&roluminescenza risolta spazialmente Ele&ro - luminescenza i n polarizzazione dire&a e inversa EMCCD Camera È possibile ricavare informazioni su: 1. Spreading della corrente 2. Presenza di eventuali hot- spot 3. Estrazione parametri ele'rici à Modeling cara'erispche ele'ro- ooche Source meter

16 Task 6.2: Cara&erizzazione ele&ro- ojca e termica Misura termografica risolta spazialmente (hot spot resistvi) Termografia risolta spazialmente in polarizzazione inversa Termocamera Source meter ObieOvo à Valutare la presenza di: hot spot resispvi shunt Correlazione con parametri di processo Esempio à Edge IsolaPon genera hot spots sui bordi delle celle

17 Task 6.2: Cara&erizzazione ele&ro- ojca e termica AJvità Efficienza quantca di celle solari Si e MulTgiunzione Cara'erizzazione strap anpriflesso Cara'erizzazione proprietà eterogiunzioni III- V Analisi degrado delle diverse regioni di semicondu'ore

18 Task 6.3: Sviluppo di tecniche di diagnostca in- line L idea di questo task è quella di sviluppare tecniche di diagnospca in- line innovapve, uplizzando alcune metodologie di indagine innovapve, ovvero di introdurre un controllo della qualità della cella e del pannello non al termine del processo produovo, ma durante la fase di produzione. Tale analisi in- line potrà perme'ere un notevole risparmio di cosp e di tempi, in quanto renderà possibile un intervento in fase di realizzazione e assemblaggio e non alla fine della realizzazione dello stesso, con ovvie conseguenze di vantaggi economici. Realizzazione di Simulatore solare a LED

19 Task 6.4: Affidabilità e robustezza L obieovo di questo task è di studiare i meccanismi fisici responsabili del degrado dei disposipvi fotovoltaici nonché dei sistemi di concentrazione della luce per celle mulp giunzione ad alta efficienza, con lo scopo di determinare la correlazione tra la stru&ura specifiche del dispositvo e la sua affidabilità nel breve periodo. I risultap di quesp analisi cosptuiranno un uple feedback per i fornitori dei campioni (che potranno conseguentemente migliorare il processo produovo) e verranno uplizzap dagli uplizzatori di celle solari per la definizione dei parametri di proge'o per lo sviluppo di sistemi fotovoltaici robusp.

20 Task 6.4: Affidabilità e robustezza Stress accelerap mediante illuminazione: Normalized V OC [% ] sun 8S un 10S un 12S un 15S un 12sun 15sun 10sun Cumulative Energy [J/cm²] Power Density [mw/cm²] T=0h T=1h T=3h T=9h T=25h T=49h T=181h Stress Termici ~200h Voltage [V] 0h

21 Strumentazione in fase di acquisizione Il sistema LOANA

22 AJvità di ricerca Analisi di hot spots / cammini resistvi (shunt) ObieJvi: Valutare la presenza di hot spots e difej stru&urali Capire come la I- V varia per diversi livelli di illuminazione ( diversi sun) Analizzare l influenza di cammini resistvi localizzat (hot spots) sulle cara&eristche ele&ro- ojche in condizioni di polarizzazione dire&a e inversa à risultat sperimentali + modellizzazione Capire come gli hot spots inducono degradazione delle celle solari? Ele'roluminescenza Termografia

23 AJvità di ricerca PotenTal induced damage Problema Quando più celle sono connesse in serie à Alte tensioni si instaurano tra le celle e il frame (degradazione, cracks) ObieOvi: Valutare il limite massimo di tensione che può essere applicata tra la cella solare e il frame à Step stress Tensione tra cella e frame (il quale è collegato al ground) 250 V 500 V 750 V 3000 V Ogni step ha una durata di 15 minut, e il test dura fino alla ro&ura della cella Cara'erizzare la degradazione delle celle solari so'oposte a elevap valori di tensione (e.g. 1000V), temperatura (e.g. 85 C) e umidità (85 RH)à Long- term stress à durante lo stress sarà monitorata la corrente di leakage tra cella e frame e saranno spmate le proprietà ooche del materiale incapsulante

24 AOvità di ricerca Back- side passivaton La perdite ele'riche e ooche, dell intera superficie di Al- BSF, possono essere rido'e applicando un emeotore passivato sulla superficie posteriore (PERC) della cella solare. Sul retro della cella, un significapvo miglioramento della passivazione della superficie e della rifleovità ooca, è o'enuto uplizzando layer diele'rici (SiNx, Al2O3). Internal reflectance is increased from 65 % to 89 % à increased IQE between 900 nm and 1200 nm Steps: Definizione del processo di passivazione Procedure di ablazione Laser Realizzazione dei contao posteriori Pa'ern di conta'o

25 AOvità di ricerca Celle solari DSC Sezione di una DSC ITO I - /I - 3 Pt Glass Diagramma a bande qualitapvo Hole Electrons Cara'erizzazione e affidabilità di celle solari DSC ITO TiO 2 Dye S* I - /I 3 - ITO Glass TiO 2 Dye ITO Stress termico di una cella DSC a 85 C - Z '' [ohm] T=0h T=23h T=39h T=61h T=115h T=185h End S 5 Start Z' [ohm]

26 AOvità di ricerca Reliability of III- V solar cells (both for space and CPV) L affidabilità delle celle solari del gruppo III- V sarà studiap mediante cara'erizzazioni ele'riche, ooche e termiche. I test mireranno ad analizzare i meccanismi di degrado di tali disposipvi, i quali saranno so'oposp a: Radiazione di protoni (applicazioni spaziali) Alte correnp(cpv) ElevaP livelli di temperatura(cpv) Misure di IQE saranno uplizzate per comprendere le origini fisiche del degrado.

27 ProdoO della ricerca Breve'ato un simulatore solare a LED

28 Collaborazioni