Characterization and degradation analysis of glass-less IBC solar cells under accelerated aging

This thesis explores the transition from traditional rigid photovoltaic modules to innovative, high-throughput flexible architectures, aiming to address the inherent thermo-mechanical vulnerabilities of standard glass-based structures. By investigating a novel polymer-only encapsulation stack, the research evaluates whether a shift in materials and manufacturing processes can enhance device longevity and industrial scalability without compromising electrical performance. The study first examines the influence of processing variables on device integrity through a parametric analysis of Roll-to-Roll (R2R) lamination. Results indicate that while lamination speed, temperature, and pressure within the investigated range have a negligible impact on final performance, the interconnection phase is critical; suboptimal soldering temperatures were found to create resistive bottlenecks, significantly affecting the fill factor (FF) and power output. Further investigation into R2R feasibility demonstrates that while the process is viable for high-volume production, device survival is heavily dependent on the initial structural integrity of the silicon cells; intact cells successfully withstand the mechanical stresses of lamination, whereas pre-existing defects are significantly exacerbated. Accelerated aging through thermal shock testing reveals a clear divergence in durability between the two architectures. Traditional glass-based modules, subjected to the same stress conditions, surpassed the -5% IEC power loss threshold within only 400 cycles due to significant Coefficient of Thermal Expansion (CTE) mismatches between the rigid glass and polymer encapsulants. This mismatch led to localized contact detachments and "dead zones" clearly visualized through Electroluminescence (EL) imaging. In contrast, the flexible architecture maintained exceptional stability and even exhibited performance improvements over an extended 2000-cycle period. The reduced thermal mismatch within the polymer-based stack effectively decouples the silicon cell from damaging mechanical constraints. Ultimately, this work validates that the flexible structure is not only comparable to traditional glass modules in initial performance but is technically superior in terms of thermo-mechanical resilience, providing a robust pathway for the next generation of durable, lightweight photovoltaics.

Questa tesi esplora la transizione dai tradizionali moduli fotovoltaici rigidi verso architetture flessibili innovative e ad alta produttività, con l'obiettivo di affrontare le vulnerabilità termo-meccaniche intrinseche delle strutture standard basate sul vetro. Attraverso l'indagine di un innovativo stack di incapsulamento interamente polimerico, la ricerca valuta se un cambiamento nei materiali e nei processi produttivi possa migliorare la longevità del dispositivo e la scalabilità industriale senza compromettere le prestazioni elettriche. Lo studio esamina innanzitutto l'influenza delle variabili di processo sull'integrità del dispositivo attraverso un'analisi parametrica della laminazione Roll-to-Roll (R2R). I risultati indicano che, mentre la velocità di laminazione, la temperatura e la pressione all'interno dell'intervallo studiato hanno un impatto trascurabile sulle prestazioni finali, la fase di interconnessione è critica; è stato riscontrato che temperature di saldatura subottimali creano colli di bottiglia resistivi, influenzando significativamente il fattore di riempimento (FF) e la potenza in uscita. Ulteriori indagini sulla fattibilità R2R dimostrano che, sebbene il processo sia praticabile per la produzione di grandi volumi, la sopravvivenza del dispositivo dipende fortemente dall'integrità strutturale iniziale delle celle di silicio; le celle intatte resistono con successo agli stress meccanici della laminazione, mentre i difetti preesistenti vengono significativamente esacerbati. L'invecchiamento accelerato tramite test di shock termico rivela una chiara divergenza nella durabilità tra le due architetture. I moduli tradizionali basati su vetro, sottoposti alle stesse condizioni di stress, hanno superato la soglia di perdita di potenza del -5% prevista dall'IEC in soli 400 cicli, a causa dei significativi disaccoppiamenti del Coefficiente di Espansione Termica (CTE) tra il vetro rigido e gli incapsulanti polimerici. Questo disallineamento ha portato a distacchi localizzati dei contatti e "zone morte" chiaramente visualizzate attraverso l'imaging a elettroluminescenza (EL). Al contrario, l'architettura flessibile ha mantenuto un'eccezionale stabilità e ha persino mostrato miglioramenti nelle prestazioni su un periodo esteso di 2000 cicli. Il ridotto disaccoppiamento termico all'interno dello stack a base polimerica scollega efficacemente la cella di silicio da vincoli meccanici dannosi. In definitiva, questo lavoro convalida che la struttura flessibile non solo è paragonabile ai moduli in vetro tradizionali nelle prestazioni iniziali, ma è tecnicamente superiore in termini di resilienza termo-meccanica, fornendo un percorso robusto per la prossima generazione di fotovoltaico durevole e leggero.