Napelemcella elektromos paramétereinek meghatározása töltéshordozó-élettartam mérési módszerekkel
A félvezetők felhasználásának egyik legismertebb és fizikai alapjait tekintve intenzíven kutatott területe a fotovoltaikus alkalmazások. A fotovoltaikus energiatermelés az egyik legdinamikusabban fejlődő energetikai ágazat globális szinten, a 2022-es naptári évben telepített termelő kapacitásokat tekintve világelső.
A jelenleg legelterjedtebb szilícium alapú egyátmenetes napelemcellák hatásfoka az utóbbi évek fejlesztéseinek következtében megközelítette az ún. Shockley-Queisser határértéket. A további fejlődés eléréséhez a minősítési eljárások és a maéréstechnológiák pontosságának javítása nélkülözhetetlen, különösen a napelemcellák valós működési körülményeire vonatkozóan.
A végső napelemcellák minősítésére használt paraméterek közül is kiemelt jelentőséggel bír az áram feszültség karakterisztika (I-V görbe), valamint az emitter szaturációs áram. Előbbi közvetlenül meghatározza a kinyerhető teljesítményt és hatásfokot, míg az utóbbi a p-n átmenetben jelenlévő rekombináció erősségéről ad információt. Az I-V görbét leggyakrabban a kész cellákon mérik a cellagyártás utolsó fázisában, azonban közvetetten a rekombinációs élettartamból is meghatározható az úgynevezett származtatott I-V görbe [1]. Ennek előnye, hogy a gyártás korábbi fázisában előre jelezhetjük a várható minőséget, valamint ezzel szétválaszthatóak a szilíciumban és a fém-szilícium határfelületen történő rekombinációs veszteségek. Ezeket a mennyiségeket leggyakrabban szobahőmérsékleten mérik, azonban a telepített napelemek akár 60-80 °C fölé is melegedhetnek, így magasabb hőmérsékleten is célszerű a minták vizsgálata.
A TDK dolgozat keretében a Semilab fejlesztői laboratóriumában egy kísérleti összeállítással vizsgáltam felületpasszivált szilícium szeletek rekombinációs élettartamát [2]. A lézeres megvilágításon és örvényáramú, induktívan csatolt érzékelésen alapuló készülékbe beépítettem egy infravörös hőmérő szenzort, így alkalmassá téve a minta hőmérsékletének mérésére. A mérés során a töltéshordozó gerjesztésre alkalmazott infravörös lézereket használtam a vizsgált minta fűtésére is. A lézer teljesítményével és ki-be kapcsolása közötti kitöltési idővel szabályoztam a minta hőmérsékletét. A kapott rekombinációs élettartam görbékből meghatároztam a származtatott I-V görbét, amelyből a kinyerhető maximális teljesítmény előjelezhető. Az emitter szaturációs áramot két különböző módszerrel vizsgáltam [3, 4], majd ezeket összehasonlítottam szobahőmérsékleten. A két módszer integrálása egy készülékbe újszerű megközelítés, melyet a mérőrendszerünk azon egyedi tulajdonsága tette lehetővé, hogy a valós és a differenciális élettartamokat egymástól függetlenül tudjuk mérni. A cellaparamétereket a valós működési körülményeknek jobban megfelelő magasabb hőmérsékleten is vizsgáltam. A kiértékelés során figyelembe vettem az egyéb elkerülhetetlen rekombinációs veszteségeket (pl. Auger-rekombináció).
[1] R. A. Sinton, A. Cuevas, „Contactless determination of current–voltage characteristics and minority-carrier lifetimes in semiconductors from quasi-steady-state photoconductance data”, Appl. Phys. Lett. 69, 2510 (1996); doi: 10.1063/1.117723
[2] D. Krisztián, F. Korsós, G. Havasi, „Simultaneous measurement of charge carrier concentration, mobility, and lifetime”, Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 260, 2023, 112461, ISSN 0927-0248, https://doi.org/10.1016/j.solmat.2023.112461.
[3] D. E. Kane and R. M. Swanson, Measurement of the emitter saturation current by a contactless photoconductivity decay method, in Proc. IEEE 18th Photovoltaic Specialist Conf., p. 578, (1985).
[4] P. A. Basore, B. R. Hansen, „Microwave-detected photoconductance decay”, Sandina National Laboratories, Kissimmee, Florida 1990, p. 374-379.
szerző
-
Havasi Gergely
Fizikus mesterképzési szak (MSc)
mesterképzés (MA/MSc)
konzulens
-
Krisztián Dávid
Doktorandusz, Fizika Tanszék
