Termikus tranziens mérés alkalmazási lehetőségei napelemmodulok termikus karakterizálásában

A villamos energia napjainkban elengedhetetlenné, az életünk részévé vált. Jelentőségére akkor döbbenünk rá, amikor a számunkra természetesnek tűnő, mindig jelen lévő energia valamilyen okból –akár rövidebb, akár hosszabb időre- megszűnik. Ezért is nagyon fontos az, hogy a fosszilis energiahordozók mellett megújuló társaik egyre nagyobb teret nyerjenek, melyek közül a legnagyobb potenciállal bíró a napenergia, mivel korlátlan mennyiségben áll rendelkezésre, kimeríthetetlen energiaforrás, és a napelem rendszer telepítése egyszeri ráfordítást igényel, azután a karbantartási költsége minimális. Nem utolsó sorban a napenergia tiszta, környezetbarát energiaforrás, tehát amellett, hogy a fosszilis energiahordozók által termelt energiaigényt csökkenti, még a környezetet sem terheli meg.

A fényt villamos energiává alakító eszköz, azaz a napelem felépítését, fizikai működését, hatásfokát befolyásoló tényezőit (mint például az alapanyagul szolgáló szilícium típusát, a struktúrát, az alkalmazott technológiát) számos szakirodalom mélyre menően tárgyalja. Ezekből ismert tény, hogy a napelemek hőmérsékletének növekedése feszültségcsökkenéssel, teljesítményromlással jár, azaz a napelemek teljesítménye és hatásfoka nagyban függ a hőmérséklettől. Annak ellenére, hogy a napelem modul teljes szerkezetének termikus viselkedése erősen befolyásolja a napelem cellákban kialakuló hőmérsékletet, a modulok termikus viselkedését eddig még nem vizsgálták kimerítően.

Félvezető eszközök termikus paramétereinek meghatározására gyakran alkalmazott és jól bevált mérési eljárás a termikus tranziens mérés, amellyel roncsolásmentesen állapíthatók meg a vizsgált eszköz termikus paraméterei. A mérési eljárás bármely elektronikus eszközön elvégezhető, amely tartalmaz egy kontaktusokon keresztül hozzáférhető p-n átmenetet. A napelem egy nagy felületű p-n átmenet, azaz tekinthetünk rá úgy, mint egy nagyon nagy felületű diódára, így elméletben ezt az eszközt is vizsgálhatjuk termikus tranziens méréssel. A mérés során kapott eredményből pedig kiszámíthatjuk a napelemet alkotó részek hőellenállását, illetve hőkapacitását, amikből képezhetjük az úgy nevezett struktúrafüggvényt, és így jellemezhetjük a struktúra minden rétegét. Azaz létre lehet hozni egy modellt, és azon keresztül vizsgálni az eszközt, anélkül hogy szétszednénk, roncsolnánk azt.

Ezen elméleti megfontolások alapján termikus tranziens vizsgálatokat végeztem különböző napelem szerkezeteken. A TDK munkám során amorf szilíciumból és kristályos szilíciumból készült napelemszerkezeteket vizsgáltam, és mindkét struktúránál olyan jelenségeket találtam, amelyek nem jelentkeznek a szokásos elektronikai eszközök termikus tranziens mérése során.

Amorf szilícium napelemek esetén megfigyeltem, hogy különböző időben elvégzett, de ugyanolyan nagyságú árammal meghajtva az eszközt annak struktúrafüggvénye megváltozik, a változás pedig valószínűsíthetően a szilícium rétegben megy végbe. A jelenség a degradációval, Staebler-Wronski hatással magyarázható, miszerint nagy teljesítménnyel való gerjesztés hatására a szilícium rétegben a lógó kötések passziválására szolgáló hidrogén atomok felszabadulnak, és ezzel megnövekszik a rekombinációs sűrűség a napelemben. Ez megváltoztatja a napelem karakterisztikáját, és így a feszültség hőmérsékletfüggését. Munkám során hőkezeléssel próbáltam a keletkezett lógó kötéseket passziválni és igazolni a Staebler-Wronski hatást.

Továbbá megfigyeltem azt a jelenséget, hogy termikus tranziens mérés közben különböző nagyságú fűtőáramokkal meghajtva a napelemet különbözik a rendszer gerjesztésre adott válasza, így a struktúrafüggvénye is (ideális esetben -például egy diódát lemérve- azt tapasztalnánk, hogy különböző fűtőáramok hatására együttfutó struktúrafüggvény sereget kapnánk). A fűtőáramot növelve a struktúra hőellenállása csökkent, majd egy adott érték felett beállt, és növekvő fűtőáram hatására nem emelkedett tovább. Ezt a jelenséget mind amorf, mind kristályos szilícium napelemeknél megfigyeltem.

E jelenség azzal magyarázható, hogy nagyobb áramokkal hajtva a napelemet, nagyobb felületet fűtünk meg, ezáltal nagyobb térfogatban történik a hőelvezetés, ami miatt megváltozik a hőellenállás, és a hőkapacitás. Az elmélet igazolása érdekében hőkamerás képeket készítettem, illetve potenciáltérképet vettem fel különböző áramokkal meghajtott napelemekről. Mindkét esetben látszott, hogy növekvő áramok esetén a napelemek egyre nagyobb felületén következik be disszipáció, ami igazolja elméletünket.

Munkám során termikus tranziens méréseket végeztem különböző napelemszerkezeteken, és új jelenségeket találtam, melyeket eddig még más elektronikus eszközöknél nem tapasztaltunk, és ezekre a jelenségekre dolgozatomban magyarázatot adok.

szerző

• 
  Dudola Dóra
  villamosmérnöki
  nappali

konzulensek

• 
  Dr. Ress Sándor
  docens, Elektronikus Eszközök Tanszék
• 
  Dr. Plesz Balázs
  egyetemi docens, Elektronikus Eszközök Tanszék

helyezés