
太阳能电池生产中的弱分流器识别
照明锁相热成像技术用于检测和消除太阳能电池中的分流
通过检测和消除硅太阳能电池中的分流来提高效率
硅太阳能电池在工作原理方面是光电二极管。它们通常由厚度很薄的p掺杂和n掺杂晶片粘合而成。由此产生的p-n结被一层氮化硅层覆盖,该层在n侧充当抗反射涂层。收集太阳能电池电流的触点由正面的银线网格和背面的全面积铝触点制成。为了避免太阳能电池中因工艺引起的短路,必须通过激光或化学蚀刻隔离其边缘。
由于太阳能电池加工过程中出现的裂纹和划痕而导致p-n结以及边缘的任何破坏都可能导致故障。许多这些缺陷会导致不必要的漏电流。这些类型的故障称为工艺引起的分流。多晶硅可能含有可能导致太阳能电池短路的沉淀物,称为材料诱导分流。太阳能电池中的分流是暗电流增加的区域,这会显著降低电池的效率。值得注意的是,所有类型的分流器,无论其来源如何,都会对太阳能电池的效率产生不利影响,应不惜一切代价避免。
分流器通常不可见,但太阳能电池制造商。尽管如此,制造商仍需要找到并消除这些分流器以提高电池的效率。此外,分流器会导致局部加热,产生热点,从长远来看可能会损坏整个太阳能电池或模块。这可能导致太阳能模块过早退化或故障。识别和消除分流器并提供无分流器的太阳能电池对于声誉和市场竞争力至关重要。
分流器会产生局部电流增加的区域,这也会产生局部热量。根据分流器的大小,它们会产生与背景相比从几 mK 到几开尔文的热点。由于传统红外热像仪的噪声极限实际上在 40 到 100 mK 的范围内,因此可以检测到相对较强的局部热源。这足以检测强分流器。
尽管如此,传统的稳态热成像技术可能无法发现太阳能电池的微小故障。此外,由于太阳能电池中的横向热传导,局部热源在稳态热成像技术中可能会显得模糊。


利用照明锁定技术实现太阳能电池的动态分流成像
必须使用照明锁定技术 (ILIT) 来对太阳能电池中非常弱的分流器进行成像。照明锁定热成像是一种速度足够快的非破坏性表征方法,可用于太阳能电池生产线。
一般的想法是展示分流器的动态、时间相关的热行为。分流器具有不同的热材料特性,因此它们的热行为与太阳能电池结的其他部分不同。当输入能量波穿透物体表面时,它会被吸收并发生相移。当遇到物体内热物理性质与周围材料不同的区域时,部分波会被反射。这种反射波会干扰表面的入射波,在局部表面温度中产生干涉图案,该图案以与热波相同的频率振荡。因此,对太阳能电池施加固定频率的周期性激励,并在多次迭代中观察其时间相关的热行为。分流器对热激励的响应幅度和相位响应与其他太阳能电池部件不同。
虽然光脉冲是一个阶跃函数,照明强度时高时低,不断重复,并将具有该频率分量的热量引入部件,但热像仪会监测太阳能电池散发出的热量。作为一项质量测试,太阳能电池闪光 ILIT 涉及将高强度光应用于太阳能电池板。在闪光测试期间,光伏模块会暴露在氙气弧光灯、金属卤化物灯或 LED 发出的短暂但强烈的闪光下。这些灯发出的光谱应与太阳光谱非常接近。
闪光灯产生连续的光谱功率分布,色温约为 5500K 至 6200K,波长范围为 200 nm 至 1200 nm。测试期间的太阳能电池温度通常在室温左右,太阳能电池板的最佳温度约为 25°C。由于潜在的串扰问题和相对较低的温度范围,使用与光发射相同光谱范围内的短波长红外热像仪可能不可行。因此,具有长波长 (LT) 范围的传统红外摄像机是最佳选择。
光脉冲以锁定频率施加,从而触发发光太阳模拟器。锁定频率取决于红外摄像机的帧速率。由于香农-奈奎斯特采样定理以及输入信号、热激励和热响应之间的二相相关性,最大可用锁定频率是红外摄像机帧速率的四分之一。对于非制冷红外热像仪,由于辐射热计探测器的响应时间有限,辐射热计的热时间常数在 8 到 15 毫秒之间,这将物理相关的采样频率限制在 125 Hz 左右。因此,锁定频率可以低于 30Hz 或曝光时间低至 30 到 50 毫秒。尽管如此,红外热像仪不能直接与锁定过程同步,但光脉冲触发可以很容易地从红外热像仪帧触发信号中得出。
记录后,一叠热图像显示了与激励高度同步的加热和冷却阶段。提取每个图像的每个像素的时间序列并将其与输入信号相关联。不同的数学方法可以评估信号之间的传递函数。通常使用功率谱密度来量化峰值加热幅度和两个信号的互相关,从而揭示相位延迟。
可以通过更多迭代、更高的激励或使用热噪声较低的红外热像仪来提高信噪比。
利用 Optris Xi400 通过锁相热成像技术分析太阳能电池
照明锁相热成像技术是分析太阳能电池的高灵敏度工具,可详细了解局部效率和失效机制。它能够检测微弱的热源并进行定量评估,因此即使是非常微弱的分流,它也能通过定位来改进太阳能电池。
根据分流的严重程度和类型,制造商可能会尝试修复受影响的电池。这可能需要采用激光技术来隔离分流区域,或者如果缺陷与表面有关,则对电池进行再加工。如果无法有效修复分流,通常会将有缺陷的电池从生产线上移除,使其无法集成到模块中。
Optris 不提供锁定算法的评估软件,因为每个生产过程都是独一无二的。数据结果必须参照健康电池,并需要进行解释。锁定算法本质上是识别材料的差异,但不能量化分流。通常情况下,必须对锁定算法进行反复调整和改进,才能对材料获得最深入的了解。
冷却型红外热像仪通常热噪声较低,帧频较高,可提供更清晰的锁定图像,但价格也高得多。但事实证明,所使用的 Xi400 红外热像仪已经足够出色,而且对于批量生产应用中的测试设备来说,性价比至关重要。
Optris Xi400 红外热像仪 80 Hz 的高帧频及其触发太阳模拟器手电筒的能力在此应用中尤为重要。此外,其广泛的 SDK 和与 Matlab 或 Python 的连接性使工程师能够轻松访问热图像并应用其功能。

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