Spectral shaping for accurate solar cell characterization

Abstract: Eine genaue elektrische Charakterisierung von Solarzellen ist von großer Bedeutung für Forscher, Produzenten, Anlagenbetreiber und Investoren im Photovoltaiksektor. Die anspruchsvollste Messgröße dabei ist der Kurzschlussstrom einer Solarzelle. Die Unsicherheit des Kurzschlussstroms ist wiederum hauptsächlich von der Messunsicherheit der spektralen Bestrahlungsstärke, welche auf die Solarzelle fällt, und von den spektralen Abweichungen dieser zum Referenzspektrum beeinflusst. Bei Messungen in Laborumgebungen, wie sie in dieser Arbeit im Kalibrierlabor für Solarzellen am Fraunhofer ISE (CalLab PV Cells) erfolgten, ist die künstliche Erzeugung einer sonnenähnlichen Strahlung aufgrund der scharfen spektralen Formen des globalen AM1.5 Referenzspektrums eine zentrale Herausforderung.
In dieser Arbeit wird deshalb die Entwicklung einer computergesteuerten Strahlungsquelle präsentiert, welche die Fähigkeit zur spektralen Anpassung mit einer hohen Auflösung im Wellenlängenbereich von 355 nm bis 1200 nm besitzt. Eine gründliche Literaturrecherche ergab, dass die neue spektral anpassbare Strahlungsquelle das globale AM1.5 Referenzspektrum in diesem Wellenlängenbereich mit deutlich geringeren Abweichungen als vergleichbare Aufbauten reproduziert. Der neue optische Aufbau wurde im Laufe dieser Arbeit geplant, simuliert und optimiert. Ein programmierbares Phasengitter (GLV, englisch: Grating Light Valve), welches ein mikroelektromechanisches Bauteil ist (MEMS, englisch: microelectromechanical system), wurde in den entwickelten Aufbau integriert, um eine spektrale Anpassung zu ermöglichen. Hierfür wurde zudem ein Algorithmus entwickelt, mit welchem die notwendigen GLV-Einstellungen für ein gegebenes Zielspektrum ermittelt werden.
Weiterhin wird in dieser Arbeit dargestellt, wie sich die Messunsicherheit der spektralen Bestrahlungsstärke zur Unsicherheit des Kurzschlussstroms fortpflanzt. Eine neue Methode wird präsentiert, um Korrelationen zwischen den Datenpunkten, aus denen die Messung der spektralen Bestrahlungsstärke besteht, zu berücksichtigen. Ein wichtiges Ergebnis der hierfür durchgeführten Monte Carlo Simulationen ist, dass die Stärke der Korrelationen deutlich die Unsicherheit des Kurzschlussstroms beeinflusst. Diese neue Methode verbessert die Verlässlichkeit der Unsicherheitsbestimmung des Kurzschlussstroms und ist breit anwendbar in der Solarzellen- und Modulcharakterisierung.
Schließlich wurde die neu entwickelte spektral anpassbare Strahlungsquelle zur Charakterisierung von Silizium-Solarzellen verwendet. Bias-Lampen wurden zusätzlich installiert, um Kurzschlussstrommessungen bei einer einstellbaren Bias-Bestrahlungsstärke von Null bis über 1000 W/m² durchführen zu können. Dieser Zweistrahlaufbau erlaubt es zahlreiche Steigungsdatenpunkte auf der Kurzschlussstrom-Bestrahlungsstärke-Kurve genau und präzise in einer sehr kurzen Zeit zu messen. Es wird aufgezeigt, dass die Steigungsbestimmung eine sehr empfindliche Methode zur Nichtlinearitätserkennung der Strom-Bestrahlungsstärke-Kurve ist. Ein umfangreicher Messvergleich mit den Messaufbauten zur Bestimmung der differentiellen spektralen Empfindlichkeit (DSR) des CalLab PV Cells am Fraunhofer ISE und des nationalen Metrologieinstituts Deutschlands, der Physikalisch-Technischen Bundesanstalt (PTB), bestätigten die hohe Genauigkeit des neuen Aufbaus zur Kurzschlussstrom- und Nichtlinearitätsbestimmung dank des gut reproduzierten AM1.5 Referenzspektrums. Mit dem in dieser Arbeit entwickelten Aufbau konnten somit genaue Erkenntnisse über die Nichtlinearitäten ermittelt werden, welche unverzichtbar sind für eine verlässliche Energieertragsprognose, für Referenzsolarzellen, und deshalb für Forscher, Produzenten und Investoren im Photovoltaiksektor
Abstract: Accurate electrical solar cell characterization is of crucial importance to scientists, manufacturers, operators and investors in the photovoltaic market. The most challenging parameter to be measured accurately is the short-circuit current of the solar cell. The uncertainty attributed to the short-circuit current is in turn mainly affected by the measurement uncertainty of the spectral irradiance of the incident radiation and the spectral deviations from the reference spectrum. In indoor measurements, as it is done in this work at the calibration laboratory for photovoltaic cells at the Fraunhofer ISE (CalLab PV Cells), the precise generation of a sun-like radiation is an ongoing task due to the sharp spectral features in the global AM1.5 solar reference spectrum.
In this work the development of a computer-controlled radiation source is presented with the ability to shape the spectral irradiance with a high resolution in the wavelength range from 355 nm to 1200 nm. A thorough search of the relevant literature yielded that considerably smaller deviations to the global AM1.5 solar reference spectrum can be reached in this wavelength range by this spectrally adjustable radiation source in comparison to prevailing setups. During the course of this work, the new optical setup was designed, simulated and optimized. Its key component to enable active spectral shaping capability is a programmable Grating Light Valve (GLV) which works as a configurable diffraction grating realized in form of a micromechanical system (MEMS). An algorithm was developed for finding the suitable GLV adjustments for a given target spectrum.
Furthermore, this work discusses how the uncertainty of the spectral irradiance measurement propagates to the uncertainty of the generated short-circuit current of a solar cell. A novel method is presented to consider correlations between the wavelength-dependent data points of the spectral irradiance. An important finding of the conducted Monte Carlo simulations is that the strength of correlations significantly influences the uncertainty attributed to the short-circuit current. Using this new method improves the reliability of the determined uncertainty attributed to the short-circuit current and is widely applicable in solar cell and module characterization.
Finally, the developed spectrally adjustable radiation source was used to characterize silicon solar cells. Additional bias lamps were installed to enable measurements at adjustable irradiance levels from zero to over 1000 W/m². This dual beam setup allows to measure the slope of the short-circuit current versus irradiance curve at many data points accurately and precisely in a short time. It is demonstrated that the slope determination is a sensitive method for detecting nonlinearities in the current versus irradiance curve. A comprehensive measurement comparison with the Differential Spectral Responsivity (DSR) setups at CalLab PV Cells at Fraunhofer ISE and at Germany's national metrology institute Physikalisch‐Technische Bundesanstalt (PTB) confirmed the high accuracy of the new setup to determine short-circuit currents and nonlinearities due to the excellent reproduction of the AM1.5 solar reference spectrum. The ability to obtain accurate insights into nonlinearities is essential for a reliable energy yield prediction of solar cells, for reference solar cells, and thus, to scientists, manufacturers, and investors in the photovoltaic market

Angaben zum Objekt

• Standort: Deutsche Nationalbibliothek Frankfurt am Main
• Umfang: Online-Ressource
• Sprache: Englisch
• Anmerkungen: Universität Freiburg, Dissertation, 2022

Klassifikation und Themen

• Klassifikation: Elektrotechnik, Elektronik
• Schlagwort: Solarzelle ; Kalibrieren ; Fotovoltaik ; Silicium ; Solarzelle ; Sonnenspektrum ; Fotovoltaik

Beteiligte, Orts- und Zeitangaben

• Ereignis: Veröffentlichung
• (wo): Freiburg
• (wer): Universität
• (wann): 2023
• Urheber: Mühleis, Matthias
• Beteiligte Personen und Organisationen: Glunz, Stefan ; Glunz, Stefan ; Lemmer, Uli ; Albert-Ludwigs-Universität Freiburg. Fakultät für Angewandte Wissenschaften

Weitere Informationen

• DOI: 10.6094/UNIFR/233180
• URN: urn:nbn:de:bsz:25-freidok-2331803
• Rechteinformation: Open Access; Der Zugriff auf das Objekt ist unbeschränkt möglich.
• Letzte Aktualisierung: 25.03.2025, 13:42 MEZ