通過檢測和消除硅太陽能電池中的分流來提高效率
硅太陽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。收集太陽能電池電流的觸點(diǎn)由正面的銀線網(wǎng)格和背面的全面積鋁觸點(diǎn)制成。為了避免太陽能電池中因工藝引起的短路，必須通過激光或化學(xué)蝕刻隔離其邊緣。

由于太陽能電池加工過程中出現(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。許多這些缺陷會導(dǎo)致不必要的漏電流。這些類型的故障稱為工藝引起的分流。多晶硅可能含有可能導(dǎo)致太陽能電池短路的沉淀物，稱為材料誘導(dǎo)分流。太陽能電池中的分流是暗電流增加的區(qū)域，這會顯著降低電池的效率。值得注意的是，所有類型的分流器，無論其來源如何，都會對太陽能電池的效率產(chǎn)生不利影響，應(yīng)不惜一切代價避免。

分流器通常不可見，但太陽能電池制造商。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，分流器會導(dǎo)致局部加熱，產(chǎn)生熱點(diǎn)，從長遠(yuǎn)來看可能會損壞整個太陽能電池或模塊。這可能導(dǎo)致太陽能模塊過早退化或故障。識別和消除分流器并提供無分流器的太陽能電池對于聲譽(yù)和市場競爭力至關(guān)重要。

分流器會產(chǎn)生局部電流增加的區(qū)域，這也會產(chǎn)生局部熱量。根據(jù)分流器的大小，它們會產(chǎn)生與背景相比從幾 mK 到幾開爾文的熱點(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)，因此可以檢測到相對較強(qiáng)的局部熱源。這足以檢測強(qiáng)分流器。

盡管如此，傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)熱成像技術(shù)可能無法發(fā)現(xiàn)太陽能電池的微小故障。此外，由于太陽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)中可能會顯得模糊。



利用照明鎖定技術(shù)實(shí)現(xiàn)太陽能電池的動態(tài)分流成像
必須使用照明鎖定技術(shù) (ILIT) 來對太陽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，可用于太陽能電池生產(chǎn)線。

一般的想法是展示分流器的動態(tài)、時間相關(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，它會被吸收并發(fā)生相移。當(dāng)遇到物體內(nèi)熱物理性質(zhì)與周圍材料不同的區(qū)域時，部分波會被反射。這種反射波會干擾表面的入射波，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，對太陽能電池施加固定頻率的周期性激勵，并在多次迭代中觀察其時間相關(guān)的熱行為。分流器對熱激勵的響應(yīng)幅度和相位響應(yīng)與其他太陽能電池部件不同。

雖然光脈沖是一個階躍函數(shù)，照明強(qiáng)度時高時低，不斷重復(fù)，并將具有該頻率分量的熱量引入部件，但熱像儀會監(jiān)測太陽能電池散發(fā)出的熱量。作為一項質(zhì)量測試，太陽能電池閃光 ILIT 涉及將高強(qiáng)度光應(yīng)用于太陽能電池板。在閃光測試期間，光伏模塊會暴露在氙氣弧光燈、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，波長范圍為 200 nm 至 1200 nm。測試期間的太陽能電池溫度通常在室溫左右，太陽能電池板的最佳溫度約為 25°C。由于潛在的串?dāng)_問題和相對較低的溫度范圍，使用與光發(fā)射相同光譜范圍內(nèi)的短波長紅外熱像儀可能不可行。因此，具有長波長 (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、熱激勵和熱響應(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。對于非制冷紅外熱像儀，由于輻射熱計探測器的響應(yīng)時間有限，輻射熱計的熱時間常數(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)信號中得出。

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

可以通過更多迭代、更高的激勵或使用熱噪聲較低的紅外熱像儀來提高信噪比。

利用 Optris Xi400 通過鎖相熱成像技術(shù)分析太陽能電池
照明鎖相熱成像技術(shù)是分析太陽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。它能夠檢測微弱的熱源并進(jìn)行定量評估，因此即使是非常微弱的分流，它也能通過定位來改進(jìn)太陽能電池。

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

Optris 不提供鎖定算法的評估軟件，因為每個生產(chǎn)過程都是獨(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)上是識別材料的差異，但不能量化分流。通常情況下，必須對鎖定算法進(jìn)行反復(fù)調(diào)整和改進(jìn)，才能對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，而且對于批量生產(chǎn)應(yīng)用中的測試設(shè)備來說，性價比至關(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熱圖像并應(yīng)用其功能。