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Short-term metastabilities and power rating in thin-film photovoltaic technologies
Ankit Mittal
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Doktoratsstudium Naturwissenschaften: Physik
Betreuer*innen
Wolfgang Lang ,
Viktor Schlosser
DOI
10.25365/thesis.81387
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-15204.95736.701216-2
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
Dünnschicht-Photovoltaiktechnologien wie amorphes Silizium (a-Si:H), Cadmiumtellurid (CdTe) und Kupfer-Zink-Zinn-Sulfid-Selenid (CZTSSe) bieten eine breite Anwendbarkeit. Obwohl diese Technologien bereits in den Markt integriert sind, wird ihre Leistung durch Effekte wie kurzzeitige Metastabilitäten beeinflusst. Diese stellen einen ladungsträger- und defektgetriebenen, vollständig reversiblen Zustand dar, ein quasistabiles, thermodynamisches Gleichgewicht, verursacht durch externe Einflüsse wie Licht- oder erhöhte Temperatur. In dieser Arbeit wurde der Einfluss auf die elektrischen Parameter sowie die Korrelation zu bestehenden internationalen Leistungsstabilisierungsprotokollen untersucht. Die Untersuchungen umfassten Tests an (a-Si:H)-Modulen unter Beleuchtung und thermischer Ausheilung. Bei a-Si:H betrugen die durch Metastabilität induzierten Änderungen der elektrischen Parameter unter Beleuchtung etwa 3% der maximalen abgegebenen Leistung PMPP. Eine Tieftemperaturausheilung bei 70 ◦C führte zu einer Leistungssteigerung von 17,2% durch Heilung der a-Si:H-Dangling-Bonds. Die Aktivierungsenergien des Prozesses konnten mithilfe des Arrhenius-Gesetzes aus den Zeitkonstanten der Ausheilung bestimmt werden und diese lagen zwischen 0,46 eV und 0,58 eV. Feldgealterte CdTe-Module, die unter schwacher Beleuchtung getestet wurden, zeigten eine Korrelation zwischen Metastabilitäten und Degradationsraten im Bereich von 4,62% bis 22,11% unterhalb der Nennleistung. PMPP stieg zunächst um bis zu 3,5 %, fiel jedoch bei fortgesetzter Beleuchtung wieder ab, was auf eine nicht-reversible, Relaxation (Ordnungsübergang) im Material, überlagert mit dem reversiblen metastabilen Effekt, hinweist. Bei Degradationsraten über 22% brach das metastabile Verhalten zusammen. Die Ergebnisse zeigen damit, wie Probenhistorie, Vorbehandlung und Pre-Conditioning die Messergebnisse beeinflussen können. Bei CZTSSe wurde während der Beleuchtung ein Leistungsabfall von bis zu 9% in PMPP beobachtet. Es wurde eine starke Abhängigkeit vom Lichtspektrum (Farbe) festgestellt, was auf energiesensitive photonisch aktivierte Defekte hinweist. Die Korrelation zwischen den Ladungsträgerkonzentrationen von 6,50×1014 cm-3 bis 1,01×1015 cm-3 konnte mit der Amplitude der metastabilen Änderungen in Verbindung gebracht werden. Zusammenfassend wurde gezeigt, dass die Amplitude des elektrisch kurzzeitigen metastabilen Verhaltens mit dem Grad der Anfangsdegradation, der Defektdichte, der Beleuchtungsfarbe und der Betriebsspannung korreliert ist. Die Ergebnisse unterstreichen die Notwendigkeit von Vorkonditionierung und kontrollierter Dunkellagerung zur Sicherstellung einer konsistenten und genauen Charakterisierung von Photovoltaikmodulen.
Abstract
(Englisch)
Thin-film photovoltaic technologies like amorphous silicon (a-Si:H), cadmium telluride (CdTe) , and Cu2ZnSn(S,Se)4 (CZTSSe) offer broad applicability. Although technologies are market-integrated, their performance is affected by effects such as short-term metastabilities. It is a charge-carrier and defect-driven, fully reversible state that causes a quasi-stable thermodynamic equilibrium triggered by external stimuli, such as light bias or temperature. This study investigated its impact on external electrical parameters and its correlation with existing international power stabilization protocols. The research included tests on a-Si:H modules under illumination and thermal annealing. In a-Si:H, the electric parameter changes by metastability were around 3% in the maximum power PMPP under illumination. Low-temperature annealing at 70 ◦C increased the power by 17.2% by healing the dangling bonds of the a-Si:H material. The activation energies of the process were determined by Arrhenius law from annealing time constants and were found to range between 0.46 eV and 0.58 eV. Field-aged CdTe modules used for low-light illumination exhibited a correlation between metastabilities and degradation rates, ranging from 4.62% to 22.11% below nominal power. PMPP increased by up to 3.5%, then decreased with continued illumination, showing that a non-reversible material order-order relaxation superposed the reversible metastable effect. The metastable behavior broke down for degradation rates exceeding 22%. The findings demonstrated how sample history, prehandling modules, and preconditioning procedures affect the power measurement outputs. In CZTSSe PMPP showed a decrease of up to 9% during light soaking. A strong dependence on the light’s spectral distribution (color) is observed, linking photon energy to defect activation. The material correlations between charge carrier concentrations between 6.50 × 1014 cm-3 and 1.01 × 1015 cm-3 could be correlated to the amplitude of metastable changes. In conclusion, the investigations revealed that the degree of short-term metastable electric behavior is correlated with the level of initial degradation, defect density, illumination color, and operational bias. The findings highlight the need for preconditioning and controlled dark storage to ensure consistent and accurate PV characterization.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Deutsch)
Dünnschicht-Photovoltaiktechnologien Metastabilitäten Nennleistung
Autor*innen
Ankit Mittal
Haupttitel (Englisch)
Short-term metastabilities and power rating in thin-film photovoltaic technologies
Publikationsjahr
2026
Umfangsangabe
xviii, 125 Seiten
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Simona Olga Binetti ,
Robert Höller
Klassifikationen
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,
33 Physik > 33.72 Halbleiterphysik
AC Nummer
AC17913317
Utheses ID
80005
Studienkennzahl
UA | 796 | 605 | 411 |