Simulation von Dünnschichtphotovoltaikmodulen: 2D und 3D ortsaufgelöste elektrische und elektrothermische Finite-Elemente-Berechnungen

Thin-film photovoltaics (PV) is an emerging technology. However, further improvement and analysis of this technology are needed in order to become well-established in the PV market. This requires extensive experimental investigations which are often very cost- and time-intensive. Here, simulations can complete and verify experimental work. In cases where the experiments are not possible, they may even go beyond experimentally accessible parameters. Furthermore, simulations yield profound understanding of physical processes in the PV devices that cannot be measured by characterization methods. Most of the time, simulations are used for the optimization of products. In this work simulations were used to investigate relevant topics in thin-film PV with different objectives. One common problem in thin-film PV modules are shunts that can be generated already during the production process and which can dramatically reduce the output power of the devices. Therefore, it is important to understand the shunt’s influence on the module performance. However, shunts also cause hot spots in PV devices. Depending on their temperatures, the hot spots can cause severe damage of the entire module. Hence, the information on the temperatures and shunt parameters for exceeding critical temperatures is of interest for estimating the relevance and probability of detrimental shunts. As a well-controlled generation of shunts of specified properties can hardly be realized and verified experimentally, simulations were used for the investigations. One of the main tasks of simulations of PV devices is the optimization. Thereby, the simulations deal with a large set of parameters and improve for instance the design of grid electrodes or multi-junction cells. Grid electrodes are a very suitable electrode technology for PV devices. TF PV modules can be produced with a large variety in grid design, especially for fully inkjet printed ones. Multi-junction cells can exceed the efficiencies of single-junction cells. Hence, the prediction of their efficiencies for different material combinations in the cell stack is of special interest. Due to recently developed transparent and electrical conductive interface materials the preparation of parallel connected subcells became possible. Therefore, series, parallel and mixed electrical connection types were simulated for double- and triple-junction cells and compared to each other. This was done for organic PV cells with absorber materials, which are by part not yet developed, and for different absorption windows. In order to examine the electrical influence of a shunt in a copper indium gallium diselenide (CIGS) module and to optimize the grid electrodes in organic PV modules, dedicated 2D spatially resolved electrical finite element models were developed. For temperature simulation of shunted organic PV cells, the model was extended to a 3D electrothermal one for taking the thermal effects in perpendicular direction into account. The efficiencies of multi-junction organic PV cells were simulated by using a semi-empirical model based on a simplified calculation approach of the electrical connection types. Using these methods the following results were obtained. The relative maximum power output and the relative open-circuit voltage of a shunted monolithically integrated CIGS module revealed that the irradiance has the highest influence besides the shunt resistance. For increasing irradiance the relative performance values increased due to shunt screening in the resistive (front) electrode. Hence, the shunt has most impact under low light conditions. The shunt size and its position inside the module were investigated as well as the distance between two shunts in one cell. The latter shows maximum performance reduction for equal distribution of the two shunts. Visualization of the lateral current densities in the electrode layers reveals current loops in the shunted cell which even progress into the neighboring cells. Thereby, the shunt current flows mainly in the electrode with the lower sheet resistance (except for short distances to the shunt). Due to this, the shunt position determines the geometry of the lateral currents in the module and the shunt’s impact on module performance. Hereby, the shunt screening due to the electrodes plays an important role. The temperature development and distribution was investigated in organic PV cells with diketopyrrolopyrrole-quinquethiophene alternating copolymer (pDPP5T-2):[6,6]-phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) bulk heterojunction as active absorbing layer and a metallic ohmic shunt under open-circuit conditions and 1000 W/m² irradiance by varying the shunt radius, its electrical conductivity, the encapsulation material and the sheet resistance of the transparent front electrode. Critical temperatures of more than 400 K (that can damage the cell) are easily exceeded for shunt radii < 2.44 µm for plastic foil encapsulated cells. The value of electrical shunt conductivity only plays a minor role. For most radii the highest temperatures do not appear in the shunt, but in the lower electrical conductive electrode around the shunt caused by higher resistive losses. For glass encapsulated cells the critical shunt radius decreases to 0.71 µm due to the higher thermal conductivity compared to plastic. Organic PV modules with different grid electrode structures (lines, triangles, squares, hexagons) were optimized with respect to active cell length, unit cell width, silver grid width and thickness of poly(3,4-ethylenedioxythiophene) polystyrene sulfonate (PEDOT:PSS)-layer using poly(3-hexylthiophene-2,5-diyl) (P3HT):PCBM bulk heterojunction as active absorbing layer. Thereby, the features of inkjet printers (e.g. line width ≥ 50 µm) were taken into account. The optimum parameters are: active cell length = 5 - 6 mm, grid width = 50 µm and PEDOT:PSS-thickness = 59 nm. All grid structures show almost the same maximum power output (≈ 27 W/m²) – with a slightly higher value (< 1.6 %) for the line structure. However, for grid interruptions in or close to the patterning region the other three grid structures have lower losses due to their “network” structures and, thus, yield marginally higher maximum efficiencies. Theoretical efficiency studies were performed for organic multi-junction PV cells by varying the band gap energies of the absorber materials, the electrical connection types between the subcells and the absorption window types. The results reveal a maximum efficiency of 15.0 % for the series and 13.6 % for the parallel connected double-junction cells. (Best single-junction cell has 11 % efficiency.) For the triple-junction cells the parallel connection of the front subcell with the series connected middle and back subcells (maximum efficiency = 17.3 %) exceeds the purely series connected cell in maximum efficiency and in variety of absorber material combinations for efficiencies higher than 14.5 %. A realistic limitation of the band gap energies (Eg ≥ 1.4 eV) available for organic absorber materials decreases the maximum efficiencies to 14.5 % and 16.5 % for double- and triple-junction cells, respectively. Many of the findings have general characters and are applicable to other thin-film PV technologies. The spatially resolved analysis of electric current, electric potential and temperature distribution give a profound understanding of the physics in cells and modules. The specific simulation results for shunted module performance, hot spot temperatures and grid electrode optimizations set a good starting point for further experimental work and investigations. The efficiency calculations of multi-junction cells with generic connection types provide a roadmap to future highly efficient organic PV cells.Dünnschichtphotovoltaik ist eine aufstrebende Technik, jedoch sind weitere Verbesserungen und Untersuchungen nötig, um sie langfristig im Photovoltaikmarkt zu etablieren. Dies bedarf ausgedehnter experimenteller Untersuchungen, die oft sehr kosten- und zeitintensiv sind. Hierbei können Simulationen diese vervollständigen, verifizieren und in Fällen, in denen Experimente nicht möglich sind, sogar jenseits experimentell zugänglicher Parameter agieren. Des Weiteren schaffen Simulationen ein tiefgehendes Verständnis der physikalischen Prozesse in Photovoltaikbauteilen, die teilweise mit Charakterisierungsmethoden nicht gemessen werden können. Meistens aber werden Simulationen zur Optimierung von Produkten eingesetzt. In dieser Arbeit wurden Simulationen dazu verwendet, relevante Themen der Dünnschichtphotovoltaik mit unterschiedlichen Zielsetzungen zu untersuchen. Ein gängiges Problem der Dünnschichtphotovoltaik sind Kurzschlüsse in den Zellen, auch Shunts genannt, die bereits während des Produktionsprozesses entstehen können und die Leistung der Bauteile drastisch verringern können. Daher ist es wichtig den Einfluss eines Shunts auf die Modulperformance, also die Leistungsfähigkeit des Moduls, zu verstehen. Shunts verursachen zudem auch heiße Stellen, sogenannte Hotspots, in den photovoltaischen Bauelementen. Je nach Temperatur können Hotspots das ganze Modul schwerwiegend schädigen. Folglich sind Informationen über die Temperatur in der Zelle und zu Shuntparametern, die zur Überschreitung kritischer Temperaturen führen, von besonderem Interesse, um die Relevanz und die Wahrscheinlichkeit von schädigenden Shunts abzuschätzen. Da die kontrollierte Erzeugung von künstlichen Shunts mit spezifischen Eigenschaften nur schwer realisierbar und experimentell nachprüfbar ist, wurden Simulationen zur Untersuchung verwendet. Eine der Hauptaufgaben der Simulation von Photovoltaikbauteilen ist die Optimierung. Hierbei kann eine Vielzahl an Parametern variiert werden, um so zum Beispiel das Design von Gitterelektroden oder das von Mehrfachsolarzellen zu verbessern. Gitterelektroden sind sehr gut als Elektrodentechnologie für Photovoltaikbauteile geeignet. Die Flexibilität in der Produktion von Gitterelektroden für Dünnschichtphotovoltaikmodule ist hoch, insbesondere wenn Tintenstrahldruckern eingesetzt werden. Mehrfachsolarzellen können die Effizienz von Einfachsolarzellen übertreffen. Daher ist die Vorhersage der Effizienzen für verschiedene Materialkombinationen im Zellstapel von besonderem Interesse. Durch die kürzliche Entwicklung transparenter elektrisch leitfähiger Zwischenschichtmaterialien wurde die Herstellung von parallelverschalteten Unterzellen ermöglicht. Daher wurden serielle, parallele und gemischte Verbindungstypen für Zweifach- und Dreifachsolarzellen simuliert und miteinander verglichen. Diese Untersuchungen wurden für organische Photovoltaikzellen mit organischen Absorptionsmaterialen, die zum Teil noch nicht entwickelt sind, und verschiedenen Absorptionsfenstern durchgeführt. Um den Einfluss eines Shunts in einem Kupfer-Indium-Gallium-Diselenid (CIGS)-Modul zu untersuchen und die Gitterelektroden in organischen Photovoltaikmodulen zu optimieren, wurden 2D ortsaufgelöste elektrische Modelle nach der Finite-Elemente-Methode entwickelt. Zur Temperatursimulation von geshunteten organischen Photovoltaikzellen wurde das Modell zu einem elektrothermischen 3D Modell erweitert, um die thermischen Effekte in senkrechter Richtung zu berücksichtigen. Die Effizienzen von organischen Mehrfachphotovoltaikzellen wurden mit Hilfe eines halbemiprischen Modells simuliert, das auf einem vereinfachten Berechnungsansatz für die elektrischen Verschaltungsarten beruht. Unter Verwendung dieser Methoden wurden die folgenden Ergebnisse erzielt. Die relative maximale Leistung und die relative Leerlaufspannung eines geshunteten monolithisch verschalteten CIGS-Moduls zeigten den größten Einfluss durch die Bestrahlungsstärke neben dem Shuntwiderstand selbst. Für ansteigende Bestrahlungsstärke erhöhten sich auch die relativen Modulperformancewerte in Folge der Shuntabschirmung in der (vorderen) Elektrode mit dem höheren Schichtwiderstand. Folglich hat der Shunt den höchsten Einfluss unter Schwachlichtbedingungen. Die Shuntgröße und -position im Modul wurden ebenso untersucht wie auch der Abstand zweier Shunts in einer Zelle. Letzteres zeigt die größte Reduzierung der Performance bei gleichmäßiger Verteilung der beiden Shunts. Visualisierung der lateralen Stromdichten in den Elektrodenschichten offenbart Stromschleifen in der geshunteten Zelle, die sich sogar in den Nachbarzellen fortsetzen. Dabei fließt der Strom hauptsächlich in den Elektroden mit dem geringeren Schichtwiderstand (mit Ausnahme in der unmittelbaren Umgebung des Shunts). Dadurch bestimmt die Shuntposition die Geometrie der lateralen Ströme im Modul und den Einfluss des Shunts auf die Performance. Hierbei spielt die Shuntabschirmung in den Elektroden eine zentrale Rolle. Die Temperaturentwicklung und -verteilung wurde in organischen Photovoltaikzellen mit Diketopyrrolopyrrol-Quinquethiophen alternierendes Copolymer (pDPP5T-2):[6,6]-Phenyl-C61-Buttersäuremethylester (PCBM) als aktive Absorberschicht und einem metallischen ohmschen Shunt unter offenen Klemmen und bei 1000 W/m² Bestrahlungsstärke untersucht. Dabei wurden der Shuntradius, die elektrische Leitfähigkeit des Shunts, das Verkapselungsmaterial und der Schichtwiderstand der transparenten Vorderelektrode variiert. Kritische Temperaturen von mehr als 400 K, die die Zelle beschädigen können, werden in mit Kunststofffolie verkapselten Zellen für Shuntradien kleiner 2,44 µm mühelos überschritten. Die elektrische Leitfähigkeit des Shunts spielt dabei eine untergeordnete Rolle. Für die meisten Shuntradien tritt die höchste Temperatur nicht im Shunt selbst, sondern in dessen Umgebung in der transparenten elektrisch weniger leitfähigen Vorderelektrode auf Grund der höheren Widerstandsverluste auf. Bei glasverkapselten Zellen sinkt der kritische Shuntradius auf 0,71 µm, bedingt durch die höhere thermische Leitfähigkeit des Glases im Vergleich zu Kunststoff. Organische Photovoltaikmodule mit unterschiedlichen Gitterelektrodenstrukturen (Linien, gleichseitige Dreiecke, Quadrate, gleichseitige Sechsecke) wurden mit Hinblick auf aktive Zelllänge, Einheitszellenbreite, Gitterlinienbreite und Poly-3,4-ethylendioxythiophen:Polystyrolsulfonat (PEDOT:PSS)-Schichtdicke mit Poly(3-hexylthiophen-2,5-diyl) (P3HT):PCBM als aktive Absorberschicht optimiert. Dabei wurden die Eigenschaften von Tintenstrahldruckern (z. B. Linienbreite ≥ 50 µm) berücksichtigt. Die optimalen Parameter sind: aktive Zelllänge = 5 - 6 mm, Gitterbreite = 50 µm und PEDOT:PSS-Schichtdicke = 59 nm. Alle Gitterstrukturen zeigen fast die gleiche maximale Ausgangsleistung (≈ 27 W/m²) – mit etwas höherem Wert (< 1,6 %) für die Linienstruktur. Jedoch für Gitterunterbrechungen im oder nahe dem Strukturierungsbereich verzeichnen die drei anderen Gitterstrukturen weniger Verluste auf Grund ihrer Netwerkstrukturen und erzielen so geringfügig höhere maximale Effizienzen als die Linienstruktur. Theoretische Effiezienzstudien wurden für organische Mehrfachphotovoltaikzellen dadurch durchgeführt, dass die Bandlückenenergien der Absorptionsmaterialien, die elektrischen Verbindungstypen zwischen den Unterzellen und die Absorptionsfensterarten variiert wurden. Sie ergeben eine maximale Effizienz von 15,0 % für seriell- und von 13,6 % für parallelverschaltete Zweifachzellen. (Die beste simulierte Einfachsolarzelle hat 11 % Effizienz.) Bei Dreifachzellen übertrifft die Parallelverbindung der vorderen Unterzelle mit der seriellen Verbindung der mittleren und hinteren Unterzelle (maximale Effizienz = 17,3 %) die rein seriell verschaltete Zelle in maximaler Effizienz und in der Auswahl von Absorptionsmaterialkombinationen für Effizienzen größer 14,5 %. Eine realistische untere Grenze der Bandlückenenergie von 1,4 eV für verfügbare organische Absorptionsmaterialien reduziert die Effizienzen von Zweifach- und Dreifachsolarzellen auf jeweils 14,5 % und 16,5 %. Viele Ergebnisse dieser Arbeit sind allgemeiner Art und auf andere Dünnschichtphotovoltaiktechnologien übertragbar. Die ortsaufgelöste Analyse von elektrischen Strömen, elektrischen Potentialen und der Temperaturverteilung ergeben ein tiefgehendes Verständnis der Physik in Zellen und Modulen. Die spezifischen Simulationsergebnisse zur geshunteten Modulperformance, Hotspottemperaturen und Gitterelektrodenoptimierung bilden eine gute Ausgangslage für weitere experimentelle Arbeit und Untersuchungen. Die Effizienzberechnungen von Mehrfachsolarzellen mit verallgemeinerten Verbindungstypen weisen den Weg zu künftigen, hoch effizienten organischen Photovoltaikzellen