CN103119426B - 利用热分析分析光电分层系统的方法 - Google Patents

利用热分析分析光电分层系统的方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于评估分析光电分层系统的方法，其包含至少一个形成pn结的半导体层，具有如下步骤：在分层系统中产生电流；产生分层系统的上表面的位置可分辨的热量变化图，该图像具有多个像素，给这些像素分别分配强度值；确定涉及具有相同强度值像素的各自数目的、热辐射强度分布；从强度分布中确定强度平均值/中位数；在强度分布杂散的可预定程度的基础上确定强度间隔；对于所有大于提高了强度间隔的强度平均值/中位数的强度值，通过对具有相同强度值像素的数目与该强度值相乘而分别给出的乘积求和来确定特征数；特征数或基于此的计算值与预定的基准特征数进行比较，其中如果特征数大于或等于基准特征数，则给分层系统分配第一评估结果，或如果特征数小于基准特征数，则分配第二评估结果。

Description

利用热分析分析光电分层系统的方法
技术领域
本发明针对制造用于光电能量产生的设备的技术领域并且涉及一种用于评价、定量分析光电分层系统的方法。
背景技术
太阳能电池能够直接把光辐射转换为电流。关于效率薄层太阳能电池基于多晶体的黄铜矿半导体证明是有益的。在此特别是铜-铟二价硒化物(CuInSe2或者CIS)基于其与太阳光光谱匹配的能带宽度特征在于特别高的吸收系数。薄层太阳电池为了足够的机械强度需要特殊的支撑基底，其大部分包含无机玻璃、聚合物或金属合金并且依赖于层厚度和材料特性可以布置为硬的平板或可弯曲的薄膜。由于单个的太阳能电池典型的仅仅可以提供低于1伏的电压，通常多个太阳能电池串联错接成一个太阳能模块，以便通过这种方式获得技术可消耗的输出电压。对此薄层太阳模块提供特殊的优点，太阳电池在层制造过程中就能够以集成的形式串联错接。为了确保防止影响环境，太阳电池通常与无铁的碳酸氢钠-钙盐玻璃和增加附着力的聚合物薄膜一起组合成一个能经受住风吹雨打的复合结构。
在制造太阳能模块时可能会出现各种各样的缺陷，这些缺陷对内部电功率消耗不利并因此降低太阳模块的效率。如此功率消耗的主要原因例如是导致充电载体的复合速率局部升高的短路（Shunts）和相对较高的串联电阻、其主要由金属接触电阻、引线电阻和半导体材料电阻以及金属-半导体的接触电阻产生。此外例如机械缺陷、比如裂纹、断裂和分层或材料质量的变化可能导致功率消耗。
在太阳能模块的批量生产中在满足调节质量控制的范围内、特别是为了满足确定的质量规定、识别出具有较高内部功率消耗的太阳能模块是重要的。已知，为了这个目的使用了特殊的红外线测量技术，其中在太阳能模块中产生一个电流并且借助于红外线照相机拍摄太阳能模块上表面的热量变化图。因为在太阳能电池中所有的基本过程始终与热量消耗联系在一起并且比如短路和串联电阻的缺陷典型地具有相对较高的损耗功率，因此可以通过太阳能模块上表面的局部温度升高识别缺陷。在热量变化图中缺陷例如显现为较亮（较热）位置（“hotsport”）或区域。在科学文献中该方法已经在多个作品中详细描述。与此有关的内容仅仅例如参见O.Breitenstein等人在“Progress in Photovoltaics：Research and Applications”（Prog.Photovolt：Res.Appl.2003;11:515-526）中题目为“Quantitative Evaluation of Shunts in Solar Cells by Lock-in Thermography”的专业论文和其中提到的引文。主要技术背景可以引用专利申请US 2010/201374 A1和US 2010/182421 A1。
在太阳能模块的批量生产中通常可视鉴定热量变化图，其中根据亮点数目优质地、主要基于鉴定经验判断其质量。
发明内容
因此本发明的任务在于，提供太阳能模块的定量分析，其能自动分析评估太阳能模块的质量。按照本发明的建议通过具有独立权利要求特征的方法解决该任务和另外的任务。通过从属权利要求的特征给出本发明的优选设计方案。
根据本发明指出了一个评估、定量分析、用于光电能量生成的分层系统的方法。在分层系统中例如通过内部电场分离所产生的载流子和激子。分层系统主要包含至少一个形成异质结或者pn结、也就是说不同导通型区域的顺序的半导体层。
光电分层系统例如可能涉及一个（单个）太阳能电池、多个串联或错接为阵列的太阳能电池或涉及一个包含多个串联错接的太阳电池的太阳能模块。太阳能模块可能特别涉及薄层太阳能模块，在薄层太阳能模块中太阳电池例如以集成方式串联错接。如此的薄层太阳能模块典型地包含至少一个支撑基底、以及一个第一电极层、一个第二电极层和至少一个在两个电极层之间布置的半导体层。通常半导体层掺杂杂质。半导体层可以备选掺杂一种通过固有缺陷形成导致固有掺杂的物质、例如钠。半导体层主要包括黄铜矿化合物、其中特别涉及由一组铜-铟-镓-二价硫化物/二价硒化物（Cu( InGa)(SSe)2）、例如铜-铟二价硒化物（CuInSe2或者CIS）、掺杂钠的Cu(InGa)(SSe)2或同族化合物形成的I-III-VI半导体。
可是光电分系统也可能涉及在制造太阳电池或者太阳模块时的中间产品，其包含至少一个形成pn结的半导体层。
在用于评估、定量分析光电分层系统的本发明方法中在分层系统中产生一个电流，通过该电流此外在分层系统的缺陷区域内引起电损耗功率，如此可以通过分层系统上表面的、与周围温度相比较升高的温度可以识别缺陷。可以通过在pn结的截止方向和/或流通方向上施加一个电压在分层系统上产生电流。可是也可以考虑，在分层系统中通过光照射无接触地产生电流，其中通过本发明方法以这种方式可以特别简单地评估、定量分析在制造太阳能模块时还没有外部电端子的中间产品。
在适合于检测通过电流流过产生的功率损耗的时间内、特别是与电流产生同时或接近，借助于热量变化图或者红外线照相机产生光电分层系统的上表面热辐射的位置可分辨的热量变化图。对此在太阳能模块中可能涉及设置用于光入射的上表面。检测热辐射的热量变化图典型地基于分层系统的上表面的热量分布。对此有益地应用所谓“锁定技术”，其中一种调制方法用于在分层系统中产生电流。由于这种方法对于理解本发明不重要并且专业人员熟知，因此不再详细探讨。
（数字的）热量变化图作为数字光栅像由多个像素（Pixel）组成。分层系统的上表面相应至少想象中可以划分为多个面积元素，其分别被明确分配热量变化图的一个像素。另一方面每个像素根据附属面积元素的上表面温度被分配一个强度值作为像素值。在热量变化图中与具有不同表面温度的上表面的点一致的像素（Pixel）具有彼此不同的强度值。对此相当于上表面较热位置的像素例如显现为比较明亮并因此具有较高的强度值，而相当于较冷位置的像素显现为较暗并因此具有较低强度值。在一个备选的标度中上表面较热位置也可以与较暗的像素一致并且相应较冷的位置与明亮的像素一致。也可以以假颜色显示热量变化图，其中给不同颜色分配不同强度值。另一方面与相同表面温度的、上表面的位置一致的像素（Pixel）具有相同的强度值。
接下来基于热量变化图确定热辐射的、涉及具有相同强度值像素的各自数目的强度分布。换种说法，为热量变化图的每个强度值确定具有该强度值的像素的数目。从涉及像素数目的强度分布中接着确定强度平均值或备选确定强度中位数。
此外在强度分布杂散的一个可预定程度的基础上确定一个基于强度分布的强度间隔。强度分布杂散的这个可预定程度基于强度平均值/中位数。最好将标准偏差或分位数（Quantil）、特别是强度分布的强度平均值/中位数的四分位数（Quartil）确定为强度分布杂散的程度并且基于标准偏差或者分位数确定强度间隔。强度间隔对此例如相当于n倍的标准偏差或分位数、特别是分位数（n是十进制数、特别是大于零的整数），例如一倍或多倍（例如二或三倍）的标准偏差或分位数、特别是四分位数。
接下来通过对积求和确定特征数，其中分别通过具有相同强度值的像素的数目与该强度值相乘给出该积。对此重要的是，仅仅对于这样的强度值的积求和，即其大于提高了强度间隔的强度平均值或强度中位数。
然后如此确定的特征数或备选一个基于此的计算值与一个预定的基准特征数比较，其中如果该特证数大于或等于基准特征数，则给分层系统分配一个第一评估结果，如果该特征数小于基准特征数，则分配一个不同于第一评估结果的第二评估结果。第一评估结果例如可能涉及“分层系统不满足要求的质量”的结论，第二评估结果例如可能涉及“分层系统满足要求质量”的结论。
专利申请人的试验也表明，通过本发明方法能够简单地对光电分层系统、比如太阳电池和太阳能模块进行自动的定量分析并评估其质量。该方法能够可靠并安全地识别基于缺陷而具有不希望的较高内部功率损耗的分层系统，如此可以保证质量和性能要求。
正如已经阐述的，在本发明方法中通过在pn结的截止方向和/或流通方向上施加一个电压产生引起损耗功率的电流。如果在截止方向上施加电压，主要通过半导体层的电阻产生电损耗功率，其中特别显著地加热在太阳能模块中形成用于太阳能电池电串联错接的结构线。另一方面通过在流通方向上施加电压主要可以识别在光电元件范围内的损耗功率。在本发明的方法中有益地施加具有不同极性和/或不同电压值的电压，以便由此可以特别区分分层系统中各种各样的缺陷。
在本发明方法的另一个优选设计方案中例如特征数除以总特征数，这样标准化已确定的特征数。对于强度分布的所有强度值对相同强度值的像素数目与强度值相乘给出的积求和，这样计算总特征数。在这种情况下此外有益的是，在特证数和总特征数之间的商确定为用于与基准特征数比较的、基于特征数的计算值。备选这是有益的，即在特证数和总特征数之间的差确定为用于与基准特征数比较的、基于特征数的计算值。
在本发明方法的另一个优选设计方案中为分层系统的上表面的多个彼此不同的部分分别确定一个独立的特征数。为分层系统的不同上表面部分确定的特征数能够分部分评估光电分层系统的质量，由此特别对于这种情况、即在确定的部分中出现较高数目的缺陷、通过关于空间位置的信息可以在制造时采取有针对性的、改善分层系统质量的措施。在分层系统的这个设计方案中这是特别有益的，即这些部分分别包含至少一个用于构造分层系统的结构线，因为缺陷经常出现在结构线的区域内。
有益地也可以如此形成这些部分，其在该区域内分离，即该区域仅仅包含结构线和如此仅仅包含光电元件部分的区域。
本发明此外涉及如上所述的方法用于评估分析太阳能模块、特别是薄层太阳能模块，其半导体层包括黄铜矿化合物、特别是Cu(In,Ga)(S,Se)。
附图说明
下根据实施例详细阐述本发明，其中参考附图进行说明。附图简化、不按比例示出：
图1      实施本发明方法示范结构的示意图；
图2A-2B  具有较低缺陷数（图2A）和较高缺陷数（图2B）的太阳能模块的热量变化图；
图3      图2A-2B的热量变化图的强度分布的图表。
具体实施方式
在图1中图解阐明了用于实施本发明方法的示范结构1。该结构1因此包含一个要分析的薄层太阳能模块5，其通常具有多个集成方式串联错接的、用于光电能量生成的太阳能电池，这在图1中没有详细示出。
正如从图1的薄层太阳能模块5的放大图中可以看出的，薄层太阳能模块1的每个太阳能电池例如包含如下的分层系统：在一个例如包括具有相对较低透光性的玻璃的、绝缘的第一基底11上布置一个例如包括透光金属、比如钼的反向电极层12。在反向电极层12上离析一个由掺杂半导体形成的、光电活性吸收层13。该吸收层13例如包括一个p型导电的黄铜矿半导体、特别是一组Cu( InGa)(SSe)2化合物、例如掺杂钠（Na）的铜-铟二价硒化物(CuInSe2)。在该吸收层13上离析一个缓冲层14，其在此例如包括单层的硫化镉（CdS）和单层的本征氧化锌（i-ZnO）。在缓冲层14上例如通过汽化渗镀镀上一个透明的正向电极层15，其例如包括掺杂的金属氧化物、例如n型导电的、掺杂铝（Al）的氧化锌（ZnO）。由此形成一个异质结，也就是说不同材料类型和相反导通类型的层顺序。为了防止影响环境在正向电极层15上例如涂敷一种例如包括聚乙烯醇缩丁醛（PVB）和/或乙烯-醋酸乙烯聚合物（EVA）的粘合层16。此外设置一个透日光的第二基底17，其例如包括特别白的、具有较低铁含量的玻璃。第二基底17与第一基底11通过粘合剂16连接并用于密封分层系统。
薄层太阳能模块1可以简单并且低成本地工业化批量生产，其中在第一基底11上离析不同的层并且在使用适当结构工艺、比如激光打印和例如通过起模与划割的机械加工的情况下为了制造串联错接的太阳电池在第一层上构造不同的层。对于每个太阳能电池如此的结构典型地包含用于制造三个结构线的三个构造步骤，该结构线在图1的薄层太阳能模块的放大图中没有示出。
正如在图1中可以看出的，薄层太阳能模块5以其底面安置在一个平面基座4 上，如此薄层太阳能模块5的、光入射方向的上部或者上表面是空的。在两个彼此相对布置的、与太阳能电池的正向或者反向电极层12、15连接的外部端子9上薄层太阳能模块1通过第一电导与一个可调节电源6连接。在薄层太阳能模块的、光入射的上表面10上方安置一个红外照相机2，通过该红外照相机以热量变化图位置可分辨地检测上表面10的热辐射。热辐射通常与薄层太阳能模块1的上表面10的温度分布一致。没有示出结构1的光学成像元件。不仅红外照相机2而且电源6经过第二电导线8（数据线）与一个基于处理器的控制/操纵设备3数据技术连接。
为了定量分析薄层太阳能模块5通过控制/操纵设备3控制首先经过电源6在薄层太阳能模块5的两个外部端子9上施加一个电压。由此在薄层太阳能模块5中产生电流，通过该电流特别在薄层太阳能模块1的缺陷区域引起电功率损耗，这可以看作在薄层太阳能模块5的上表面的缺陷位置的局部温度升高。 施加的电压进行确定的调制，在此不再对此详细探讨。同时或者在与电流生成相关的适当时间内借助于红外照相机2产生薄层太阳能模块5的上表面10的热辐射的、位置可分辨的热量变化图。
在图2A和2B中示范性指出了具有较低缺陷数（图2A）和具有较高缺陷数（图2B）的薄层太阳能模块5的两个不同热量变化图。在热量变化图中缺陷与较冷的环境相比分别可以看作亮点。对应于缺陷的像素（Pixel）因此具有比对应较冷缺陷周围的像素更高的强度值。在这两个图中此外可以看出细小的平行线，其相当于太阳能电池串联错接的结构线。
然后从热量变化图中确定热辐射的、涉及具有相同强度值像素的各自数目的强度分布（直方图）。在图3中作为图2A和2B的两个热量变化图的坐标图指出了如此的强度分布。在该坐标图中相关单元内的幅度或者强度作为横坐标A并且像素的数目N作为纵坐标。曲线I相当于图2A，曲线II相当于图2B。很明显曲线II-相当于较大缺陷数-在坐标图的中间幅度区域内具有比曲线I高得多的像素。
接下来从强度分布图中在应用传统静态方法的情况下确定幅度或者强度平均值和标准偏差。对具有相同强度值的像素数目与该强度值的乘积求和，这样在另外的分析中确定特征数K。在此例如仅仅对大于提高了标准偏差的强度平均值的强度值进行求和。
结果是，曲线I的值KI=157277，曲线II的值KII=273340。根据较大的缺陷数KII显著大于的KI缺陷数。
在该特征数的基础上自动评估薄层太阳能模块5的质量，其中该特征数与一个确定的基准特征数比较，其中如果特征数K大于或等于基准特征数，则给薄层太阳能模块5分配一个第一评估结果，或如果特征数K小于基准特征数，则分配一个不同于第一评估结果的第二评估结果。
基准特征数依赖于对薄层太阳能模块5的特殊质量要求。在本实施例中基准特征数例如确定为200000。因此例如给具有图2A热量变化图的、特征数KI=157277的薄层太阳能模块分配一个“分层系统满足要求质量”的评估结果，而具有图2B热量变化图的、特征数KII=273340的薄层太阳能模块例如分配一个“分层系统不满足要求质量”的评估结果并因此淘汰。
本发明提供定量分析太阳电池和太阳能模块的自动方法，该方法能够简单并可靠地评估其质量。
附图标记列表
1     结构
2     红外照相机
3     控制/操纵设备
4     基座
5     薄层太阳能模块
6     电源
7     第一电导线
8     第二电导线
9     端子
10    上表面
11     第一基底
12     反向电极层
13     吸收层
14     缓冲层
15     正向电极层
16     粘合层
17     第二基底

Claims (16)

1.一种用于评估分析光电分层系统的方法，具有如下步骤；
在分层系统中产生电流；
产生分层系统的表面的位置分辨的热辐射图像，该图像具有多个像素，给这些像素分别分配强度值；
确定涉及具有相同强度值的像素的各自数目的、热辐射强度分布；
从强度分布中确定强度平均值/中位数；
在强度分布杂散的可预定程度的基础上确定强度间隔；
对于所有大于提高了强度间隔的强度平均值/中位数的强度值，通过对具有相同强度值的像素数目与该强度值相乘而分别给出的乘积求和来确定特征数；
将特征数或基于此的计算值与可预给定的基准特征数进行比较，其中如果特征数大于或等于基准特征数，则给分层系统分配第一评估结果，或如果特征数小于基准特征数，则分配第二评估结果。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，光电分层系统包含至少一个形成pn结的半导体层。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，通过在pn结的截止和/或流通方向上施加电压在分层系统中产生电流。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，施加具有不同极性和/或不同大小的电压。
5.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，通过利用光照射分层系统而在分层系统中产生电流。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，基于强度分布的平均值/中位数的标准偏差或分位数来计算强度间隔。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述分位数包括四分位数。
8.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，采用以下方法对特征数进行标准化，亦即：所述特征数除以总特征数，其中对于强度分布的所有强度，从具有相同强度值的像素的数目与该强度值相乘而分别给出的乘积之和中得出所述总特征数。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，确定特征数和总特征数之间的商作为用于与基准特征数比较的计算值。
10.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，确定特征数和总特征数之间的差作为用于与基准特征数比较的计算值。
11.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，为分层系统的表面的多个彼此不同区段分别确定特征数。
12.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，这些区段分别包含至少一个用于对分层系统进行结构化的结构化线。
13.根据权利要求11所述的方法，其特征在于，形成分隔的区段，其中按照具有结构化线的区域和具有单纯光电元件部分的区域进行分隔。
14.根据权利要求1至13中任一项所述方法的应用，所述方法用于评估分析太阳能模块，这些太阳能模块的半导体层包括黄铜矿化合物。
15.根据权利要求14的应用，其特征在于，所述太阳能模块是薄层太阳能模块。
16.根据权利要求14的应用，其特征在于，所述半导体层包括Cu(In,Ga)(S,Se)2。
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