CN103033731A - 太阳能电池检测方法及相关装置 - Google Patents

Abstract

本发明提出的太阳能电池检测方法之一包含有以下步骤：充电一太阳能电池的一扩散电容；在充电该扩散电容后，放电该扩散电容；以及感测该太阳能电池在该放电步骤中所发射出的光。本发明成本低、检测速度快、检测机台体积小，且检测鉴别度高，故较适合实际的应用。

Description

太阳能电池检测方法及相关装置

技术领域

本发明有关于一种太阳能电池检测方法及相关装置，尤指一种应用电致发光(electroluminescence，EL)之物理现象的太阳能电池检测方法及相关装置。

背景技术

由于太阳能电池(solar cell)是一种相对较为干净的电力来源，一般预期，其普及率在可见的未来皆会持续攀升。

然而，太阳能电池的制造过程其实相当繁复，且难免会导致电池上存在一些缺陷，例如微裂缝(micro crack)或其它缺陷，这些缺陷常会影响电池的光电转换效率及电池寿命，而降低电池的质量。

因此，太阳能电池的制造商皆致力于改进生产技术，以减少缺陷的产生。此外，制造商还必需在出货前，对制造完的太阳能电池进行检测，以确保电池的质量、降低日后的保固及维修成本、并提升使用者的满意度。

少数载子扩散长度(minority carrier diffusion length)及少数载子生命周期(minority carrier lifetime)是太阳能电池两个重要的参数，这两个参数的关系为：DL＝(D×τ)^1/2，亦即τ＝DL²/D，其中，DL是扩散长度，D是扩散参数(diffusioncoefficient或diffusivity)，τ是生命周期。若太阳能电池上的某些点具有相对较低的扩散长度DL，代表这些点的质量较差，可能有无法用肉眼观察出的缺陷，除了可能无法正常贡献电流以外，这些点将来破裂的风险也相对较高。因此，检测太阳能电池上各点的扩散长度，是判断电池质量的一种方式。

电子束诱导电流(electron beam induced current，EBIC)及激光束诱导电流(laser beam induced current，LBIC)这两种物理现象皆可应用来检测太阳能电池各点的扩散长度的变化，以判断电池的质量。然而，这类检测方法的成本高、检测速度慢、且检测机台体积大，故不太适合实际的应用。此外，其它以电致发光(electroluminescence，EL)为理论基础的太阳能电池检测方法则无法检测出扩散长度小幅度的变化，故有鉴别度过低的问题。

发明内容

有鉴于此，具有相对较高鉴别度、较简单架构、及较低检测成本的太阳能电池检测方法及装置，对太阳能电池这个产业是非常有价值的。

本说明书提供了一种太阳能电池检测方法的实施例，包含有以下步骤：充电太阳能电池的扩散电容；在充电扩散电容后，放电扩散电容；以及感测太阳能电池在放电步骤中所发射出的光。

本说明书提供了一种太阳能电池检测方法的实施例，包含有以下步骤：对太阳能电池施加顺向直流偏压；结束施加顺向直流偏压后，对太阳能电池施加逆向直流偏压；以及感测太阳能电池在被施加逆向直流偏压的时段中所发射出的光。

本说明书提供了一种太阳能电池检测装置的实施例，包含有充放电模块及光感测模块。充放电模块用来先充电再放电太阳能电池的扩散电容。光感测模块用来感测充放电模块放电扩散电容时太阳能电池所发射出的光。

相较于以电子束诱导电流或激光束诱导电流为理论基础的检测方法，以上实施例的成本低、检测速度快、检测机台体积小，且检测鉴别度高，故较适合实际的应用。相较于其它以电致发光为理论基础的检测方法，以上实施例可达到较高的鉴别度，故可以更精确地检测出太阳能电池中的缺陷。

附图说明

图1为本发明太阳能电池检测装置的一实施例示意图。

图2为图1之充放电模块的一实施例示意图。

图3为本发明太阳能电池检测方法的一实施例时序图。

图4为本发明太阳能电池检测方法的另一实施例时序图。

具体实施方式

请参阅图1，其绘示了本发明太阳能电池检测装置一的实施例示意图。检测装置100用来对一太阳能电池180进行检测，其中，太阳能电池180可以是单一的太阳能电池单元，也可以是由多个太阳能电池单元所组成的太阳能电池模块。等效上，太阳能电池180包含有虚线所示的扩散电容(diffusioncapacitance)C_D及其它未绘示于图中的等效组件(例如等效电阻)。检测装置100包含有一充放电模块120及一光感测模块140。充放电模块120用来对太阳能电池180的扩散电容C_D先充电再放电。光感测模块140用来感测充放电模块120放电扩散电容C_D时太阳能电池180所发射出的光。

图2为图1之充放电模块120的一实施例示意图。本实施例的充放电模块120包含有一逻辑控制器(logic control stage)125及一桥接电路(bridge)130，桥接电路130包含有开关132、134、136、及138，这四个开关可以是晶体管，其中，开关132及138构成一第一组开关、开关134及136构成一第二组开关。

电压V_DD是充放电模块120所接受的直流供应电压。图2中桥接电路130的正输出端(+)及负输出端(-)分别为图1中充放电模块120的正输出端(+)及负输出端(-)。逻辑控制器125用来导通第一组开关132及138并断路第二组开关134及136以使得第一组开关132及138对太阳能电池180施加顺向直流偏压V_F以充电扩散电容C_D，或是导通第二组开关134及136并断路第一组开关132及138以使得第二组开关134及136对太阳能电池180施加逆向直流偏压V_R以放电扩散电容C_D。除了用以控制这四个开关以外，逻辑控制器125还可用来控制图1之光感测模块140的运作，例如控制光感测模块140的快门开启与关闭。

光感测模块140可以是一相机，其在一曝光时段内所感测到太阳能电池180的发光量相当于太阳能电池180的发光强度对曝光时段的积分。光感测模块140可将感测到的太阳能电池180的影像传送给后端的判断单元(未绘示于图中)，由判断单元依据影像判断太阳能电池180上是否存在缺陷。

图3的时序图绘示了本发明太阳能电池检测方法一实施例，用来对前述的太阳能电池180进行检测。图3的时序图亦是图1装置运作的一个例子。虽然图1所示的装置及图3所示的方法可分别独立存在，而不构成彼此的限制条件，但为了说明上的方便，后文将搭配此二图，以一并介绍图1中的各组件的运作及图3中的各个步骤。

首先，于步骤320中，充放电模块120对扩散电容C_D充电。如图所示，本实施例所采用的作法是对太阳能电池180施加顺向直流偏压V_F，以让顺向直流电流流经太阳能电池180。在太阳能电池180上，少数载子生命周期等于τ_n的一点，顺向直流电流是I_F。理论上，本步骤的时间长度需要等于或长于τ_n，且步骤结束前会让该点的扩散电容累积有I_F×τ_n的电荷量。

接下来，于步骤340中，充放电模块120对扩散电容C_D放电。如图所示，本实施例所采用的作法是对太阳能电池180施加逆向直流偏压V_R，以让逐渐回归为零的逆向直流电流流经太阳能电池180。理论上，本步骤会让生命周期等于τ_n的一点的扩散电容从原本I_F×τ_n的电荷量逐渐降低为零。

于步骤360中，光感测模块140感测充放电模块120放电扩散电容C_D时，太阳能电池180所发射出的光。理想上，步骤360与步骤340应同步开始，但若步骤360的开始时间早于步骤340的开始时间，则于步骤360中，光感测模块140还会额外感测到太阳能电池180在步骤320中所发射出部分的光。

在步骤320中，太阳能电池180会基于电致发光的原理而稳定发光。各点的发光强度约与该点的扩散长度DL_n成正比，而发光的时间长度约等于施加顺向直流偏压V_F的时间长度。若以光感测模块140感测太阳能电池180于步骤320的整体或部分时段的发光量，则各点的发光量约与该点的扩散长度DL_n成正比。然而，由于太阳能电池180上正常点与异常点的扩散长度差距可能不大，执行步骤320时太阳能电池180不同点的发光量的差距也不会太大，换句话说，仅靠前述的正比关系可能不足以清楚鉴别太阳能电池180各点扩散长度的变化。

在步骤340中，太阳能电池180会基于电致发光及少数载子储存时间(minority carrier storage time)的原理短暂发光。其各点逐渐降低的光强度约与该点的扩散长度DL_n成正比，此外，如后文的公式推导所示，各点发光的时间长度t_s约与该点的扩散长度DL_n的平方成正比。故若以光感测模块140感测太阳能电池180于步骤340的总发光量，则各点的总发光量约与该点的发光强度与发光时间的乘积成正比，换句话说，各点的总发光量约与该点的扩散长度DL_n的三次方成正比。此时，太阳能电池180上正常点与异常点的发光量的差距会较大，换句话说，这样的三次方关系可大幅提升对太阳能电池180各点扩散长度的鉴别度。

综合以上两段所述，步骤360与步骤320重叠的时段(若两者有重叠)带给以上实施例普通的鉴别度，步骤360与步骤340重叠的时段则带给以上实施例较高的鉴别度。无论这三个步骤的重叠状况为何，以上各实施例应可得到高于传统检测装置/方法的鉴别度。

透过以上实施例所得到的太阳能电池180的影像，可以作为对太阳能电池180进行检测的标的。若影像中某些点的亮度相对过低、或低于一预设阀值，代表该些较暗点的扩散长度较短，且可能是缺陷的所在之处。若太阳能电池180是新制成的产品，则制造商可能需将整个太阳能电池180或太阳能电池180上包含有该些较暗点的电池单元认列为不良品；若太阳能电池180已在使用中，则其维护人员可能需要将整个太阳能电池180或太阳能电池180上包含有该些较暗点的电池单元给替换掉。

以下为相关的公式推导，其中，τ_n为太阳能电池180某点的少数载子生命周期、C为该点的等效扩散电容、Q为该点扩散电容C中的电荷量、i为流经该点的电流、R为该点的等效串联电阻、V_C为扩散电容C的跨压、I_F为步骤320中流经该点的顺向电流，I_R为步骤340开始的瞬间流经该点的逆向电流。

首先， $\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}=i-\frac{Q}{{\mathrm{\τ}}_n}...\left(1\right)$

而在步骤340中，以下式子也会成立

$V_C=\frac{Q}{C}=R*i-V_R$

$i=\frac{Q}{R*C}+\frac{V_R}{R}$

将上式带回等式(1)中，可依序导出以下式子

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}=-\frac{Q}{R*C}-\frac{V_R}{R}-\frac{Q}{{\mathrm{\τ}}_n}$

$\frac{\mathrm{dQ}}{\mathrm{dt}}=-I_R-(\frac{1}{R*C}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_n})Q$

$\frac{\mathrm{dQ}}{I_R+(\frac{1}{R*C}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_n})Q}=-\mathrm{dt}$

$\underset{Q(t=0)}{\overset{Q(t=t_s)}{\∫}}\frac{\mathrm{dQ}}{I_R+(\frac{1}{R*C}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_n})Q}=-\underset{0}{\overset{t_s}{\∫}}\mathrm{dt}$

$\frac{1}{\frac{1}{R*C}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_n}}\underset{Q(t=0)}{\overset{Q(t=t_s)}{\∫}}\frac{d(I_R+(\frac{1}{R*C}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_n})Q)}{I_R+(\frac{1}{R*C}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_n})Q}=t_s$

$t_s=\frac{1}{\frac{1}{R*C}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_n}}*\ln \left(\frac{I_R+\frac{Q\left(0\right)}{{\mathrm{\τ}}_n}}{I_R+\frac{Q\left(t_s\right)}{{\mathrm{\τ}}_n}}\right)$

由于Q(O)＝I_F*τ_n，Q(t_s)＝O，可进一步得出：

$t_s=\frac{1}{\frac{1}{R*C}+\frac{1}{{\mathrm{\τ}}_n}}*\ln (1+\frac{I_F}{I_R})$

选择适当的R值使得R×C远大于τ_n，则上式可改写为：

$t_s={\mathrm{\τ}}_n*\ln (1+\frac{I_F}{I_R})$

透过上式可以得知，该点的发光时间t_s约与该点的少数载子生命周期τ_n成正比。而由于τ_n＝DL_n ²/D，该点的发光时间t_s约与该点的扩散长度DL_n的平方成正比。

对于光感测模块140而言，其感测到的影像强度I_v除了与光强度成正比之外，也与曝光时间成正比，可表示为：

I_v∝I_R*t_s*DL_n

其中DL_n＝(D×τ_n)^1/2，且由于t_s与τ_n成正比，因此：

I_v∝τ_n ^3/2

相较于传统检测方法，影像强度I_v仅正比于τ_n ^1/2，所以本发明之方法可大幅增加感测影像的对比度。

回到图3，若想让以上实施例有较佳的鉴别度，则步骤360开始的时间点应该等于或早于步骤340开始的时间点、步骤360与步骤320在时间上的重叠越短越好、且步骤340的时间长度t_R应不短于太阳能电池180上发光时间t_s可能的最大值。当然，在决定这三个步骤的时序时，充放电模块120及光感测模块140的速度限制也需一并纳入考虑。

在目前常见的太阳能电池中，少数载子生命周期的数量级约为0.001秒或更低，且通常不会高于0.005秒，因此，在以上实施例中，步骤320的时间长度t_F及步骤340的时间长度t_R皆短于0.005秒，这样的安排可以缩短检测所需的时间。

如前段所述，图3所示电压的变化频率至少是100Hz，高于一般交流电的60Hz。此外，图3所示的电压变化于顺向直流偏压V_F与逆向直流偏压V_R之间，此种方波波形不同于一般交流电的弦波波形。若以一般的交流电来取代图3所示电压变化，则由于交流电的弦波波形及过慢的频率，所得到的鉴别度将会大幅降低，且检测所需的时间也会拖长。

若想要延长步骤360的感测时间，则可将图3修改为图4。在图4中，步骤320及步骤340各交错地执行了一次以上，而步骤360的感测时间长于步骤320与步骤340的一个周期。为了提升检测的鉴别度，图4中各步骤320的时间长度t_F可以短于各步骤340的时间长度t_R，且步骤360与各步骤340重叠的时间占步骤360的总时间的比例越多越好。

而为了提升检测的鉴别度及可靠度，在使用本发明的装置或方法对太阳能电池进行检测时，还可对温度、湿度...等环境参数做出适当的控制。

相较于以电子束诱导电流或激光束诱导电流为理论基础的检测方法，以上实施例的成本低、检测速度快、检测机台体积小，且检测鉴别度高，故较适合实际的应用。相较于其它以电致发光为理论基础的检测方法，以上实施例可达到较高的鉴别度，故可以更精确地检测出太阳能电池中的缺陷。

以上所述仅为本发明之较佳实施例，凡依本发明申请专利范围所做之均等变化与修饰，皆应属本发明之涵盖范围。

Claims (10)

1.一种太阳能电池检测方法，包含有：

充电一太阳能电池的一扩散电容；

在充电该扩散电容后，放电该扩散电容；以及

感测该太阳能电池在该放电步骤中所发射出的光。

2.如权利要求1所述的太阳能电池检测方法，其中该放电步骤包含有：对该太阳能电池施加一逆向直流偏压以放电该扩散电容。

3.如权利要求1所述的太阳能电池检测方法，其中该充电步骤包含有：对该太阳能电池施加一顺向直流偏压以充电该扩散电容；且该放电步骤包含有：对该太阳能电池施加一逆向直流偏压以放电该扩散电容。

4.如权利要求1或2或3所述的太阳能电池检测方法，其中该充电步骤的时间长度短于该放电步骤的时间长度。

5.如权利要求1或2或3所述的太阳能电池检测方法，其中该充电步骤及该放电步骤的时间长度皆短于0.005秒。

6.一种太阳能电池检测方法，包含有：

对一太阳能电池施加一顺向直流偏压；

结束施加该顺向直流偏压后，对该太阳能电池施加一逆向直流偏压；以及

感测该太阳能电池在被施加该逆向直流偏压的时段中所发射出的光。

7.如权利要求6所述的太阳能电池检测方法，其中施加该顺向直流偏压的步骤的时间长度短于施加该逆向直流偏压的步骤的时间长度。

8.如权利要求6或7所述的太阳能电池检测方法，其中施加该顺向直流偏压的步骤的时间长度及施加该逆向直流偏压的步骤的时间长度皆短于0.005秒。

9.一种太阳能电池检测装置，包含有：

一充放电模块，用来先充电再放电一太阳能电池的一扩散电容；以及

一光感测模块，用来感测该充放电模块放电该扩散电容时该太阳能电池所发射出的光。

10.如权利要求9所述的太阳能电池检测装置，其中该充放电模块包含有：

一逻辑控制器；以及

一桥接电路，包含有用来耦接至该太阳能电池的一第一组开关及一第二组开关；

其中，该逻辑控制器用来导通该第一组开关并断路该第二组开关以使得该第一组开关充电该扩散电容，或导通该第二组开关并断路该第一组开关以使得该第二组开关放电该扩散电容。

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