976529

Pályázat azonosítója: 976529

Pályázat futamideje: 2020. szeptember 1. – 2021. augusztus 31.

Pályázó PhD hallgató: Soha Márton

Egyetemi Témavezető: Vad Kálmán

Vállalati Témavezető: Takáts Viktor

A 21. századi napelemes rendszerek egyik nagy problémája az, hogy a működési idővel csökken a kimeneti teljesítmény. Ha a rendszer teljesítménye lecsökken egy előre meghatározott minimum értékre, akkor a konverziós teljesítmény további csökkenése esetén a napelem-panel minősége már nem elfogadható és a panel elérte az élettartamának a végét.

Ezért a napelemcellák öregedési folyamatát csak egy elfogadható minimum konverziós teljesítményszint definiálása után lehet vizsgálni. A teljes élettartam alatti teljesítményleadás is meghatározható, de két nagy problémát továbbra is meg kell oldani. Elsőnek meg kell határozni a napelem cellák teljesítményvesztésének okait, majd ennek ismeretében meg kell vizsgálni a cellákat és a modulokat. Egyelőre nincsenek olyan tanulmányok, melyek meghatározzák a kapcsolatot a teljesítményfigyelő rendszeres módszer (RTT – Round Trip Time) és a gyorsított élettartam vizsgálatok (ALT – Accelerated Life Time) között [1]. Korábbi kutatások kimutatták, hogy a veszteségek bizonyos forrása az EVA (Etil Vinil Acetát) fólia megbarnulásában keresendő. Az élettartam meghatározása adott protokollok és számítások alapján történik. Az anyagok, eszközök, és a komplett rendszer élettartama az az idő, amíg a teljesítményszint egy előírt vagy elvárt érték alá nem csökken.

Az élettartam meghatározásához először definiálni kell azt a minimális teljesítményszintet, ami alatt a terméket hibásnak minősítjük. Például, ha egy PV modul névlegesen 50W teljesítményű normál üzemi hőmérsékleten, a készülék teljesítményének 40W-ra történő esését (20%-os csökkenés) nevezzük annak a szintnek, ami alatt a készüléket hibásnak tekintjük. Általában egy napelemes rendszer teljesítménye évente 1-2,5%-al csökken. Si modulok esetében a helyzetet tovább bonyolítja még az a tény is, hogy a Si szerkezete is megváltozik a folyamatos üzemelés alatt. Ez a változási folyamat némileg visszafordítható. Nagyszabású kutatásokat is végeztek abból a célból, hogy megmagyarázzák a Si modulok teljesítménycsökkenését és annak jellemzőit. A napelemek teljesítménycsökkenését kétféle roncsolási mechanizmussal modellezik (a kétféle mechanizmus eltérő aktválási energiával bír) azért, hogy különbséget tegyenek a kezdeti gyors és a szezonálisan változó, hullámzó teljesítménycsökkenés között.

Jelen pályázat kutatási programja a doktori kutatási programom egy jól körülhatárolható része, nevezetesen a napelemcellák élettartamának saját működésük által előidézett csökkenés vizsgálata. A csökkenést a napelemcellák belső szerkezetében bekövetkező változás okozza. A vizsgálatot a belső rétegszerkezet atomi szintű feltérképezésével kívánom elvégezni, mely eredményt egy öregedési paraméter meghatározására, továbbá az élettartam becslésére is fel kívánom használni [2].

Az anyag belsejében kialakított n-i-p típusú félvezető diódaszerkezet degradálódhat a napsugárzás okozta erőteljes felmelegedés miatt a dópoló elemek termikus diffúziója és a kémiai kötésváltozások előidézésével. Az így bekövetkező mélységi szerkezetváltozást egyrészt mélységprofil-analízissel (SNMS) vizsgálom (1. ábra), másrészt Röntgen-gerjesztéses fotoelektron spektroszkópiával (XPS-el).

A vizsgálatokat új napelem panelen végzem el úgy, hogy a panelből vett mintadarabot nagy intenzitású Röntgen-sugárzásnak teszem ki korlátozott ideig (ezzel egy gyorsított öregítési eljárást valósítok meg). A mélységprofil-analízis és az XPS mérések eredményeiből lehet következtetni a szerkezeti változásokra (2. ábra). Az ’öregítési’ eljárásban az ultraibolya fény (UV) hatását Röntgen-sugárzással váltom ki azért, hogy a nagyobb energiájú elektromágneses kvantumok nagyobb változást idézzenek elő az anyagban. A Röntgen-sugárzás ultraibolya-ekvivalens hatása pontosan kiszámítható, így információ nyerhető a valódi effektusra laboratóriumi körülmények között végzett mérésekből. Vizsgálataim zöme tömegspektrometriai, elektronmikroszkópos és elektronspektroszkópiai mérések lesznek. A rétegszerkezet feltárását mechanikai megmunkálással és ionporlasztással végzem el.

A kísérleti munkához rendelkezésemre áll egy BS40 típusú, vékonyréteg napelem-tábla, amelyben a fényáteresztő réteg elektromosan jól vezető SnO₂ réteg, a töltésgyűjtő és töltés elvezető réteg vékony Al fémréteg. Az aktív rétegszerkezet mechanikai és időjárás elleni védelmet biztosító 4 mm vastagságú üveglapok közé van helyezve. Minden szilícium alapú napelem működése n-i-p diódaszerkezeten alapul, ahol az n és p típusú rétegeket dópolással alakítják ki. A BS40 típusú napelemre kapott kísérleti eredmények érvényesek lesznek minden más szilícium alapú napelemre.

Célkitűzés

A felgyorsított élettartam-teszt eredményei elősegíthetik az energiaügyi előrejelzések, a beszerzési döntések, és a garanciális szempontok pontosabb figyelembevételét. Kutatómunkám eredményeként a napelemcellák működése következtében fellépő degradációkat pontosabban lehet számszerűsíteni a foto-villamos rendszerek költségének, a napelemek hatásfokának, a jövő napelemes rendszerei élettartamának és tartósságának a tervezésében. A speciális, többrétegű napelemcellák várható élettartama 20-30 év, ezért a fejlesztések nem merülhetnek ki pusztán a valós idejű időjárási körülmények szimulálásában, más típusú élettartam vizsgálatra is szükség van, amit ezen pályázat keretében is szeretnék megvalósítani.

Irodalomjegyzék

Kapcsolódó weboldal: https:/nkfih.gov.hu/palyazoknak/nkfi-alap/kooperativ-doktori-program-kdp-2020