通過(guò)檢測(cè)和消除硅太陽(yáng)能電池中的分流來(lái)提高效率
硅太陽(yáng)能電池在工作原理方面是光電二極管。它們通常由厚度很薄的p摻雜和n摻雜晶片粘合而成。由此產(chǎn)生的p-n結(jié)被一層氮化硅層覆蓋，該層在n側(cè)充當(dāng)抗反射涂層。收集太陽(yáng)能電池電流的觸點(diǎn)由正面的銀線(xiàn)網(wǎng)格和背面的全面積鋁觸點(diǎn)制成。為了避免太陽(yáng)能電池中因工藝引起的短路，必須通過(guò)激光或化學(xué)蝕刻隔離其邊緣。

由于太陽(yáng)能電池加工過(guò)程中出現(xiàn)的裂紋和劃痕而導(dǎo)致p-n結(jié)以及邊緣的任何破壞都可能導(dǎo)致故障。許多這些缺陷會(huì)導(dǎo)致不必要的漏電流。這些類(lèi)型的故障稱(chēng)為工藝引起的分流。多晶硅可能含有可能導(dǎo)致太陽(yáng)能電池短路的沉淀物，稱(chēng)為材料誘導(dǎo)分流。太陽(yáng)能電池中的分流是暗電流增加的區(qū)域，這會(huì)顯著降低電池的效率。值得注意的是，所有類(lèi)型的分流器，無(wú)論其來(lái)源如何，都會(huì)對(duì)太陽(yáng)能電池的效率產(chǎn)生不利影響，應(yīng)不惜一切代價(jià)避免。

分流器通常不可見(jiàn)，但太陽(yáng)能電池制造商。盡管如此，制造商仍需要找到并消除這些分流器以提高電池的效率。此外，分流器會(huì)導(dǎo)致局部加熱，產(chǎn)生熱點(diǎn)，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看可能會(huì)損壞整個(gè)太陽(yáng)能電池或模塊。這可能導(dǎo)致太陽(yáng)能模塊過(guò)早退化或故障。識(shí)別和消除分流器并提供無(wú)分流器的太陽(yáng)能電池對(duì)于聲譽(yù)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力至關(guān)重要。

分流器會(huì)產(chǎn)生局部電流增加的區(qū)域，這也會(huì)產(chǎn)生局部熱量。根據(jù)分流器的大小，它們會(huì)產(chǎn)生與背景相比從幾 mK 到幾開(kāi)爾文的熱點(diǎn)。由于傳統(tǒng)紅外熱像儀的噪聲極限實(shí)際上在 40 到 100 mK 的范圍內(nèi)，因此可以檢測(cè)到相對(duì)較強(qiáng)的局部熱源。這足以檢測(cè)強(qiáng)分流器。

盡管如此，傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱成像技術(shù)可能無(wú)法發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的微小故障。此外，由于太陽(yáng)能電池中的橫向熱傳導(dǎo)，局部熱源在穩(wěn)態(tài)熱成像技術(shù)中可能會(huì)顯得模糊。



利用照明鎖定技術(shù)實(shí)現(xiàn)太陽(yáng)能電池的動(dòng)態(tài)分流成像
必須使用照明鎖定技術(shù) (ILIT) 來(lái)對(duì)太陽(yáng)能電池中非常弱的分流器進(jìn)行成像。照明鎖定熱成像是一種速度足夠快的非破壞性表征方法，可用于太陽(yáng)能電池生產(chǎn)線(xiàn)。

一般的想法是展示分流器的動(dòng)態(tài)、時(shí)間相關(guān)的熱行為。分流器具有不同的熱材料特性，因此它們的熱行為與太陽(yáng)能電池結(jié)的其他部分不同。當(dāng)輸入能量波穿透物體表面時(shí)，它會(huì)被吸收并發(fā)生相移。當(dāng)遇到物體內(nèi)熱物理性質(zhì)與周?chē)牧喜煌膮^(qū)域時(shí)，部分波會(huì)被反射。這種反射波會(huì)干擾表面的入射波，在局部表面溫度中產(chǎn)生干涉圖案，該圖案以與熱波相同的頻率振蕩。因此，對(duì)太陽(yáng)能電池施加固定頻率的周期性激勵(lì)，并在多次迭代中觀察其時(shí)間相關(guān)的熱行為。分流器對(duì)熱激勵(lì)的響應(yīng)幅度和相位響應(yīng)與其他太陽(yáng)能電池部件不同。

雖然光脈沖是一個(gè)階躍函數(shù)，照明強(qiáng)度時(shí)高時(shí)低，不斷重復(fù)，并將具有該頻率分量的熱量引入部件，但熱像儀會(huì)監(jiān)測(cè)太陽(yáng)能電池散發(fā)出的熱量。作為一項(xiàng)質(zhì)量測(cè)試，太陽(yáng)能電池閃光 ILIT 涉及將高強(qiáng)度光應(yīng)用于太陽(yáng)能電池板。在閃光測(cè)試期間，光伏模塊會(huì)暴露在氙氣弧光燈、金屬鹵化物燈或 LED 發(fā)出的短暫但強(qiáng)烈的閃光下。這些燈發(fā)出的光譜應(yīng)與太陽(yáng)光譜非常接近。

閃光燈產(chǎn)生連續(xù)的光譜功率分布，色溫約為 5500K 至 6200K，波長(zhǎng)范圍為 200 nm 至 1200 nm。測(cè)試期間的太陽(yáng)能電池溫度通常在室溫左右，太陽(yáng)能電池板的最佳溫度約為 25°C。由于潛在的串?dāng)_問(wèn)題和相對(duì)較低的溫度范圍，使用與光發(fā)射相同光譜范圍內(nèi)的短波長(zhǎng)紅外熱像儀可能不可行。因此，具有長(zhǎng)波長(zhǎng) (LT) 范圍的傳統(tǒng)紅外攝像機(jī)是選擇。

光脈沖以鎖定頻率施加，從而觸發(fā)發(fā)光太陽(yáng)模擬器。鎖定頻率取決于紅外攝像機(jī)的幀速率。由于香農(nóng)-奈奎斯特采樣定理以及輸入信號(hào)、熱激勵(lì)和熱響應(yīng)之間的二相相關(guān)性，最大可用鎖定頻率是紅外攝像機(jī)幀速率的四分之一。對(duì)于非制冷紅外熱像儀，由于輻射熱計(jì)探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間有限，輻射熱計(jì)的熱時(shí)間常數(shù)在 8 到 15 毫秒之間，這將物理相關(guān)的采樣頻率限制在 125 Hz 左右。因此，鎖定頻率可以低于 30Hz 或曝光時(shí)間低至 30 到 50 毫秒。盡管如此，紅外熱像儀不能直接與鎖定過(guò)程同步，但光脈沖觸發(fā)可以很容易地從紅外熱像儀幀觸發(fā)信號(hào)中得出。

記錄后，一疊熱圖像顯示了與激勵(lì)高度同步的加熱和冷卻階段。提取每個(gè)圖像的每個(gè)像素的時(shí)間序列并將其與輸入信號(hào)相關(guān)聯(lián)。不同的數(shù)學(xué)方法可以評(píng)估信號(hào)之間的傳遞函數(shù)。通常使用功率譜密度來(lái)量化峰值加熱幅度和兩個(gè)信號(hào)的互相關(guān)，從而揭示相位延遲。

可以通過(guò)更多迭代、更高的激勵(lì)或使用熱噪聲較低的紅外熱像儀來(lái)提高信噪比。

利用 Optris Xi400 通過(guò)鎖相熱成像技術(shù)分析太陽(yáng)能電池
照明鎖相熱成像技術(shù)是分析太陽(yáng)能電池的高靈敏度工具，可詳細(xì)了解局部效率和失效機(jī)制。它能夠檢測(cè)微弱的熱源并進(jìn)行定量評(píng)估，因此即使是非常微弱的分流，它也能通過(guò)定位來(lái)改進(jìn)太陽(yáng)能電池。

根據(jù)分流的嚴(yán)重程度和類(lèi)型，制造商可能會(huì)嘗試修復(fù)受影響的電池。這可能需要采用激光技術(shù)來(lái)隔離分流區(qū)域，或者如果缺陷與表面有關(guān)，則對(duì)電池進(jìn)行再加工。如果無(wú)法有效修復(fù)分流，通常會(huì)將有缺陷的電池從生產(chǎn)線(xiàn)上移除，使其無(wú)法集成到模塊中。

Optris 不提供鎖定算法的評(píng)估軟件，因?yàn)槊總€(gè)生產(chǎn)過(guò)程都是獨(dú)立的。數(shù)據(jù)結(jié)果必須參照健康電池，并需要進(jìn)行解釋。鎖定算法本質(zhì)上是識(shí)別材料的差異，但不能量化分流。通常情況下，必須對(duì)鎖定算法進(jìn)行反復(fù)調(diào)整和改進(jìn)，才能對(duì)材料獲得最深入的了解。

冷卻型紅外熱像儀通常熱噪聲較低，幀頻較高，可提供更清晰的鎖定圖像，但價(jià)格也高得多。但事實(shí)證明，所使用的 Xi400 紅外熱像儀已經(jīng)足夠出色，而且對(duì)于批量生產(chǎn)應(yīng)用中的測(cè)試設(shè)備來(lái)說(shuō)，性?xún)r(jià)比至關(guān)重要。

Optris Xi400 紅外熱像儀 80 Hz 的高幀頻及其觸發(fā)太陽(yáng)模擬器手電筒的能力在此應(yīng)用中尤為重要。此外，其廣泛的 SDK 和與 Matlab 或 Python 的連接性使工程師能夠輕松訪問(wèn)熱圖像并應(yīng)用其功能。