Deall cromliniau I-V wrth nodweddu celloedd solar

Y gromlin cerrynt-foltedd (I-V) yw’r mesuriad bob dydd pwysicaf ym maes ffotofoltaeg. Mae un sgubiad, sy’n cymryd ychydig eiliadau, yn dweud wrthych faint o bŵer y mae eich cell solar yn ei gynhyrchu, beth sy’n ei gyfyngu, ac yn aml beth aeth o’i le wrth wneud y gell. Mae dysgu darllen y cromliniau hyn yn rhugl yn un o’r sgiliau mwyaf gwerthfawr i ymchwilydd PV.

Beth yn union yw cromlin I-V

Mae mesuriad I-V yn syml o ran cysyniad: rhowch foltedd ar draws y gell, mesurwch y cerrynt sy’n llifo drwyddi, yna newidiwch y foltedd un cam ac ailadroddwch. Wrth sgubo o ychydig o dan 0 V i ychydig y tu hwnt i’r foltedd cylched agored, rydych yn olrhain nodwedd drydanol lawn y gell o dan ba bynnag oleuo a roddwch iddi.

Yn y tywyllwch, mae cell solar yn ymddwyn fel deuod ag arwynebedd mawr, ac mae ei chromlin I-V yn edrych fel cromlin esbonyddol deuod mewn gwerslyfr. O dan oleuo, mae’r cerrynt a gynhyrchir gan y golau yn symud y gromlin gyfan i lawr: mae’r gell bellach yn cynhyrchu cerrynt dros amrediad o folteddau, a’r rhan rhwng 0 V a Voc yw lle mae’n cynhyrchu pŵer. Os ydych am weld yr hafaliadau deuod sydd wrth wraidd hyn, mae gan dudalen cromlin I-V PVEducation driniaeth ryngweithiol ragorol o’r arosodiad hwn.

Dau gonfensiwn i fod yn ymwybodol ohonynt wrth ddarllen cromliniau cyhoeddedig:

• Arwydd: caiff cynhyrchu pŵer ei blotio’n aml fel cerrynt negatif (confensiwn ffiseg), ond mae llawer o bapurau’n troi’r gromlin fel bod cynhyrchu’n ymddangos yn bositif. Mae’r ddau’n iawn; does dim ond angen gwirio’r echelinau.
• Cerrynt a dwysedd cerrynt: caiff celloedd ymchwil o wahanol feintiau eu cymharu drwy rannu’r cerrynt â’r arwynebedd gweithredol, sy’n rhoi dwysedd cerrynt (J, fel arfer mewn mA/cm²). Fe welwch ‘cromlin J-V’ a ‘cromlin I-V’ yn cael eu defnyddio bron yn gyfnewidiol.

Nodyn ymarferol: er mwyn sgubo drwy’r gromlin hon, mae angen offeryn sy’n gallu cyflenwi foltedd a hefyd amsugno’r cerrynt y mae’r gell yn ei gynhyrchu. Dyna pam mae celloedd solar yn cael eu profi ag uned ffynhonnell a mesur yn hytrach na chyflenwad pŵer mainc.

Y pedwar prif baramedr

Foltedd cylched agored (Voc)

Voc yw’r foltedd lle nad oes cerrynt net yn llifo: y pwynt lle mae’r gromlin yn croesi echelin y foltedd. Dyma’r foltedd uchaf y gall y gell ei gynhyrchu, ac mae’n adlewyrchu ansawdd y lled-ddargludydd a’i ryngwynebau. Yn gyffredinol, mae Voc uwch yn dangos:

• Bwlch band yr amsugnydd wedi’i gydweddu’n dda, a cholledion sylfaenol isel
• Llai o ailgyfuno yn y swmp ac ar yr arwynebau
• Goddefoli (passivation) effeithiol a chysylltiadau detholus

Gan fod ailgyfuno’n dibynnu’n esbonyddol ar y foltedd, mae Voc yn eithriadol o sensitif i ddiffygion. Os oes gan swp o gelloedd werthoedd Voc gwasgaredig, mae hynny fel arfer yn awgrymu triniaeth arwyneb anghyson neu halogiad.

Cerrynt cylched fer (Isc) a dwysedd cerrynt (Jsc)

Isc yw’r cerrynt pan fo’r foltedd a roddir yn sero: y pwynt lle mae’r gromlin yn croesi echelin y cerrynt. Caiff ei bennu gan faint o olau y mae’r gell yn ei amsugno, a pha mor effeithlon y caiff y cludyddion gwefr sy’n deillio o hynny eu casglu:

• Dwyster a sbectrwm y golau
• Arwynebedd gweithredol a cholledion optegol (adlewyrchiad, cysgod gan y cysylltiadau)
• Priodweddau amsugno’r defnydd
• Effeithlonrwydd casglu’r cludyddion gwefr

Jsc yw Isc wedi’i rannu â’r arwynebedd gweithredol, ac mae’r rhaniad hwn yn ffynhonnell ddrwg-enwog o ganlyniadau chwyddedig. Os yw golau’n mynd i mewn i’r gell o’r tu allan i’r arwynebedd a ddiffiniwyd gennych, neu os caiff yr arwynebedd ei hun ei fesur yn rhy optimistaidd, bydd eich Jsc (ac felly eich effeithlonrwydd) yn rhy uchel. Defnyddiwch fasg agorfa wedi’i ddiffinio’n dda, a mesurwch ef yn iawn.

Y pwynt pŵer uchaf a’r ffactor llenwi

Pŵer yw foltedd wedi’i luosi â cherrynt, ac yn rhywle rhwng Voc ac Isc mae’r man delfrydol: y pwynt pŵer uchaf (MPP), â’r cyfesurynnau Vmp ac Imp. Mae’r ffactor llenwi yn mesur pa mor agos y daw’r gromlin at y petryal delfrydol sydd wedi’i ffinio gan Voc ac Isc:

FF = (Vmp × Imp) / (Voc × Isc)

O ran geometreg, FF yw’r gymhareb rhwng dau betryal: yr un a gewch mewn gwirionedd (Vmp × Imp), a’r un a fyddai’n deillio o gromlin berffaith ‘sgwâr’ (Voc × Isc). Mae’r animeiddiad isod yn gwneud hyn yn glir: gwyliwch y pŵer a ddarperir yn tyfu ac yn cwympo wrth i’r pwynt gweithredu symud, a ble mae’n setlo yn y pen draw.

Mae ffactor llenwi uchel yn golygu bod y gromlin yn aros yn wastad tan yn hwyr ac yna’n disgyn yn serth, fel bod y gell yn darparu bron ei cherrynt llawn ar foltedd defnyddiol. Mae celloedd labordy da yn cyrraedd ffactorau llenwi o 0.75-0.85; mae unrhyw beth sy’n llawer is na 0.7 fel arfer yn golygu bod gwrthiannau parasitig neu broblemau rhyngwyneb yn bwyta’ch pŵer (mwy am hynny isod). Os oes angen i chi amcangyfrif yr FF uchaf y gall Voc penodol ei gynnal, mae tudalen ffactor llenwi PVEducation yn rhoi’r mynegiadau empirig safonol.

Effeithlonrwydd trosi pŵer (PCE)

Effeithlonrwydd yw’r gymhareb rhwng y pŵer trydanol sy’n dod allan a phŵer y golau sy’n mynd i mewn:

PCE = (Voc × Jsc × FF) / Pin

Er mwyn cael canlyniadau y gellir eu cymharu, caiff celloedd eu mesur o dan yr Amodau Prawf Safonol: y sbectrwm cyfeirio AM1.5G, dwyster o 100 mW/cm², a 25 °C. O dan yr amodau hynny, mae Pin yn 100 mW/cm², sy’n gwneud y rhifyddeg yn braf o syml.

Fel canllaw bras, dyma sut olwg sydd ar ddyfeisiau da ar raddfa labordy:

Mae’r gwerthoedd yn dangos lefel nodweddiadol celloedd ymchwil o ansawdd uchel, nid recordiau na modiwlau cynhyrchu. I weld y recordiau effeithlonrwydd a gadarnhawyd ar gyfer pob technoleg PV, edrychwch ar siart Best Research-Cell Efficiency NREL/NLR.

Sut mae gwrthiannau parasitig yn ystumio’r gromlin

Mae dau wrthiant diangen mewn celloedd go iawn, ac mae pob un yn anffurfio’r gromlin yn ei ffordd nodweddiadol ei hun.

Mae gwrthiant cyfres (Rs) yn cynnwys popeth sydd ar lwybr y cerrynt: gwrthiant cyswllt, gwrthiant dalen (sheet resistance) electrodau tryloyw, haenau cludo, a’r gwifrau. Mae’n costio foltedd i chi mewn cyfrannedd â’r cerrynt, felly mae’r niwed wedi’i grynhoi ger y pwynt pŵer uchaf, lle mae’r ddau’n uchel. Ar y gromlin, mae Rs cynyddol yn talgrynnu’r ‘pen-glin’ ger Voc ac yn tynnu’r ffactor llenwi i lawr. Mewn achosion eithafol, mae’r pen-glin esbonyddol yn diflannu’n llwyr ac mae’r gromlin yn tueddu at linell syth.

Mae gwrthiant siynt (Rsh) yn cynrychioli llwybrau gollwng sy’n osgoi’r gyffordd: tyllau pin mewn haenau tenau, cylchedau byr ar yr ymylon, crafiadau, neu ddifrod wrth sgrifellu (scribing). Mae gan gell iach Rsh uchel iawn; mae cell sy’n gollwng yn colli cerrynt mewn cyfrannedd â’r foltedd. Ar y gromlin, mae Rsh isel yn gogwyddo’r rhan wastad ger Isc, ac mewn achosion difrifol mae’n dechrau tynnu Voc i lawr hefyd.

Daw dwy reol fras o hyn: mae cilydd graddiant y gromlin ger Voc yn rhoi brasamcan o Rs, ac mae cilydd y graddiant ger Isc yn rhoi brasamcan o Rsh. Mae ein hofferyn dadansoddi I-V yn defnyddio’r union amcangyfrifon hyn. I weld y deilliadau llawn o hafaliad y deuod, mae PVEducation yn trafod gwrthiant cyfres a gwrthiant siynt yn fanwl.

Y ffordd orau o ddatblygu greddf yw drwy chwarae. Mae’r offeryn archwilio isod yn efelychu cell â gwrthiannau parasitig y gallwch eu haddasu; gwyliwch beth mae pob un yn ei wneud i’r siâp, i’r ffactor llenwi ac i’r pŵer a ddarperir:

Sylwch nad yw hyd yn oed gwrthiannau parasitig sylweddol yn symud fawr ddim ar Voc ac Isc. Y ffactor llenwi sy’n amsugno bron yr holl niwed, a dyna pam mai FF yw’r lle cyntaf i edrych pan nad yw cell yn perfformio cystal ag y dylai.

Un manylyn cynnil sy’n werth ei wybod: mae eich trefniant mesur yn ychwanegu ei wrthiant cyfres ei hun ar ben gwrthiant y gell. Gall gwifrau prawf, chwiliedyddion a chysylltyddion ychwanegu digon o wrthiant i ystumio cromlin dyfais iach yn amlwg. Gellir osgoi’r gwall hwnnw drwy fesur Kelvin 4 gwifren; rydym wedi ysgrifennu canllaw penodol ar gysylltiadau Kelvin sy’n esbonio sut mae’n gweithio.

Darllen y siâp: canllaw diagnosis cyflym

Ar ôl deall y paramedrau a’r effeithiau parasitig, mae’r gromlin yn troi’n offeryn diagnosis. Dyma rai patrymau cyffredin:

Mae cromlin siâp S yn haeddu sylw arbennig, oherwydd mae’n drysu newydd-ddyfodiaid: mae tro yn datblygu yn y gromlin, fel pe na bai’r gell yn gallu gwthio ei cherrynt allan ger Voc. Nid effaith gwrthiant yw hyn; fel arfer mae’n dangos rhwystr i echdynnu gwefr ar un o’r rhyngwynebau, ac mae’n gyffredin mewn dyfeisiau organig a pherofsgit sydd newydd eu gwneud, cyn i’r cysylltiadau gyrraedd ecwilibriwm.

Camgymeriadau mesur sy’n difetha’r paramedrau

Nid yw cromlin wedi’i hystumio bob amser yn golygu bod y gell yn wael. Mae’r camgymeriadau mesur hyn yn creu arteffactau sy’n edrych fel ffiseg y ddyfais:

• Cyfradd a chyfeiriad y sgubiad. Gall celloedd â phrosesau mewnol araf, perofsgitau â’u hïonau symudol yn fwyaf enwog, ddangos hysteresis: nid yw’r sgubiadau ymlaen ac yn ôl yn cytuno. Mesurwch y ddau gyfeiriad bob amser, nodwch y gyfradd sgubo, a byddwch yn amheus o ffigurau effeithlonrwydd sy’n seiliedig ar un sgubiad cyflym yn ôl. Mae Zimmermann a’i gydweithwyr wedi cyhoeddi protocol mesur ar gyfer celloedd hysteretig yn APL Materials, sydd ar gael drwy fynediad agored, ac mae’n werth ei fabwysiadu.
• Dim sefydlogi. Mae angen ychydig o amser ar gelloedd o dan oleuo a foltedd gogwyddo (bias) cyn iddynt setlo. Os byddwch yn sgubo’r eiliad y mae’r lamp yn troi ymlaen, byddwch yn dal cyflwr dros dro, nid y ddyfais.
• Gwrthiant y gwifrau. Fel uchod: mae mesuriadau 2 wifren yn ychwanegu eich ceblau at wrthiant cyfres y gell. Mae mesur Kelvin yn dileu hyn.
• Tymheredd. Mae Voc yn gostwng wrth i’r tymheredd godi (tua -2 mV/°C ar gyfer silicon), ac mae celloedd yn cynhesu’n gyflym o dan efelychydd solar. Mae’r amodau safonol yn nodi 25 °C am reswm; rhowch reolaeth tymheredd i’r gell, neu o leiaf hanes thermol cyson.
• Tocio gan y terfyn cydymffurfio (compliance). Os yw terfyn cerrynt eich offeryn wedi’i osod yn is nag Isc y gell, bydd y gromlin yn gwastatáu wrth y terfyn. Mae’n edrych fel dyfais ryfedd; mewn gwirionedd, problem gyda’r gosodiadau yw hi.

Mesur cromliniau I-V gyda’r miniSMU

Cafodd y miniSMU MS01 ei ddylunio gyda’r union fesuriad hwn mewn golwg. Dyma rysáit ymarferol i ddechrau:

1. Cysylltwch eich cell ag unrhyw un o’r ddwy sianel, gyda’r masg agorfa a’r goleuo eisoes yn eu lle
2. Gosodwch derfyn cydymffurfio (compliance) ar gyfer y cerrynt ychydig yn uwch na’r Isc disgwyliedig, fel bod yr offeryn yn diogelu’r ddyfais heb docio’r gromlin
3. Sgubwch o tua -0.1 V i tua 0.1 V y tu hwnt i’r Voc disgwyliedig
4. Defnyddiwch y nodwedd sgubiad I-V ar fwrdd y ddyfais i gael amseru cyson o bwynt i bwynt, gyda hyd at 1,000 o bwyntiau ym mhob sgubiad
5. Ar gyfer unrhyw beth y tu hwnt i sgrinio cyflym, trowch y modd Kelvin 4 gwifren ymlaen i dynnu gwrthiant y gwifrau o’r mesuriad

Gallwch reoli hyn i gyd yn rhyngweithiol o’r ap porwr heb osod dim, neu ei sgriptio mewn Python neu LabVIEW drwy ein hintegreiddiadau. Os byddai’n well gennych ddisgrifio eich mesuriad mewn iaith bob dydd a gadael i gynorthwyydd AI ysgrifennu’r sgript, darllenwch ein canllaw sgriptio gyda chymorth AI.

Echdynnu paramedrau’n awtomatig

Ar ôl i chi gael data, does dim angen taenlen a phren mesur arnoch. Gludwch eich sgubiad (CSV, TSV neu wedi’i wahanu â gofod gwyn, yn syth o’r SMU) i’r offeryn dadansoddi I-V rhad ac am ddim, a bydd yn canfod y colofnau, yn plotio’r gromlin, ac yn echdynnu Voc, Jsc, FF, PCE, ac amcangyfrifon o Rs a Rsh. Gallwch hefyd allforio plotiau sy’n barod i’w cyhoeddi.

Darllen pellach

Ar y wefan hon:

• Pam mae cysylltiadau Kelvin yn bwysig wrth brofi I-V celloedd solar - dileu gwrthiant y gwifrau o’ch mesuriadau
• Offeryn dadansoddi I-V - echdynnu paramedrau’n awtomatig o’ch data
• Offeryn dadansoddi EQE - cyfrifo Jsc o ddata effeithlonrwydd cwantwm
• Dogfennaeth miniSMU - cyfeirlyfr cyflawn i’r ddyfais

Mewn mannau eraill:

• PVEducation - y gwerslyfr ar-lein rhad ac am ddim ar hanfodion ffotofoltaeg, gan Honsberg a Bowden
• Siart Best Research-Cell Efficiency NREL/NLR - y recordiau effeithlonrwydd a gadarnhawyd ar gyfer pob technoleg PV ers 1976
• Zimmermann et al., APL Materials 4, 091901 (2016) - protocol mesur dibynadwy, ar gael drwy fynediad agored, ar gyfer celloedd solar perofsgit