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近红外增强型CCD相机在太阳能电池EL检测中的应用

发布时间:2020-05-28 10:02:24 浏览量:24


21世纪能源危机是全世界都面临的问题,寻找清洁能源就显得格外重要,太阳能就是优选项之一。太阳能电池是一种光电半导体制成

的装置,利用光生伏特效应能够将光能转化成电能。


目前市场上较普遍的是晶体硅太阳能电池,主要的结构为PN结,在P型硅上面构建N型半导体层,就形成了一个N+/P型的PN结。当太

阳光照射到PN结时,能量大于等于硅半导体禁带宽度的光能,被半导体吸收,产生电子-空穴对。在空间电荷区,产生的电子-空穴对

在自建电场的作用下漂移,在外电路产生光电流(太阳能电池结构和原理如下图)。


硅太阳能电池结构示意图


太阳能电池工作原理图

 

除了半导体PN结材料本身,太阳能电池的制备工艺是极其复杂的,有许许多多道工序(如下图),为了保证制备的太阳能电池的性

能,减少缺陷,必须严格把控每一个步骤(下图是硅太阳能电池制备工艺流程图)。


硅太阳能电池制备工艺流程图

 

通过太阳能电池制造工艺的流程可以发现,太阳能电池的制备和生产是一个非常复杂的过程,很容易产生缺陷。缺陷可以分为固有缺

陷、外部缺陷和内部缺陷。根据太阳能电池片缺陷的几何特征可以分为:破碎、裂痕、坏斑、栅线断裂、焊点不实、缺孔等。为了满足

客户对太阳能电池组件性能的更高要求,能够合理的控制由于工艺参数设置不当和人为因素造成的组件不良缺陷,需要在出厂前对太阳

能电池组件进行缺陷检测,同时也有助于完善生产工艺,提高电池组件性能。

光伏器件在一定的激发条件下具有发光特性,而不同的部位由于能级和导电率与周围良好的区域存在差异,因此会有不同的发光特性。

基于此原理,就发展出了三种常见的缺陷检测技术:光致荧光法(PL)、锁相热图法(LIT)、电致荧光法(EL)。


光致发光法(PL):当发光材料被光源照射时,它可以从中获得能量,当获得的能量达到一定数量时就可以被激发,这样就会发出荧

光,这种现象就叫做光致荧光。PL法利用了晶体硅片的激发能级的差异性来实现的,当太阳能电池中的材料受到激发光源照射一段时

间后,能级就会发生跃迁,同时也伴随着散发出一定量的红外光。由于缺陷部位与正常部位的激发能级和导电率都不相同,因此激发出

的荧光强度也不同,缺陷部位辐射的荧光强度要弱一些,只要利用图像采集设备对发出的荧光进行采集就可以根据亮度差异找出缺陷。


锁相热图法(LIT):当对处于暗盒中的太阳能电池施加一个脉冲电压时,分路电流就会对太阳能电池的温度分布造成一定的影响,只

要对太阳能电池放射出的温度场进行成像就可以找出缺陷部位,这种检测方法就叫做暗锁相热图法(DLIT);利用一个具有周期特性

的脉冲光源对正负极断路的太阳能电池进行照射,之后对其散发出的荧光进行成像,就可以根据荧光的强弱找出缺陷部位,这种方法就

是开路照明锁相热图法(Voc-ILIT)。


电致荧光法(EL):给太阳能电池加一个合适的电压,它可以发出很弱的红外光,缺陷区域发射出来的荧光的强度与正常的区域有明

显的不同,而且不同缺陷之间光的性质也不一样,使用ccd相机对荧光图像进行采集,通过图像就可发现缺陷特性。


电致荧光法(EL):的优点是不需要复杂的工艺器材,而且可以快速准确的进行测试,这种检测方法不但能够检测外部的缺陷,而且能够检测电池内部的缺陷因此被广泛用于太阳能缺陷检测。


EL测试原理图


由于本征硅的带隙约为1.12 eV,可以计算出晶体硅太阳能电池的带间直接辐射复合的 EL光谱的峰值应该在1 150 nm 附近,属于近红

外波段。这些电致荧光很微弱,只有在不受外光(即太阳光、可见光、红外线、紫外线等)干扰下才能被CCD相机捕捉到,这就要求

整个组件发光只有在暗箱状态下才能被相机捕捉才能到,因而,整个EL测试过程是在一个不会被外光干扰的暗箱中进行的,只有这样

才可以准确地判别电池片或组件是否存在缺陷,否则将会对产品的性能产生重大影响。


但是EL检测面临的两个主要问题是:(1)太阳能电池发射出的电致荧光通常很弱;(2)市面上绝大多数的CCD相机在近红外波段的

灵敏度不高(近红外探测到1000nm,量子效率不超过10%,甚至更低)。


针对这个两个问题,我们的解决办法就是采用近红外增强型CCD相机。近红外增强型CCD相机在950nm附近量子效率高达约50%,在

1000nm附近量子效率超过20%,红外探测能力远远超过普通的CCD相机,适合用于太阳能电池EL检测。

ELSE xxx DD NIR是德国Greateyes公司研发的近红外增强型CCD相机,应用于近红外波段的光谱及影像相机。ELSE xxx DD NIR集成

了目前最前沿的低噪声电子系统和超低温制冷技术,同时保持了紧凑小巧的设计,被用于EL/PL检测、天文观测、光谱分析、活体生物

荧光成像等领域。

Greateyes相机示意图


近红外增强型CCD相机量子效率图


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