CN110324003A - 一种多结太阳电池隐性缺陷无损测试方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种多结太阳电池隐性红外缺陷无损测试方法，针对被测多结太阳电池中各子电池的材料类型，选择对应的激光光源；激光光源发出的激光均照射在被测多结太阳电池上，被测多结太阳电池在激光照射下，各子电池分别激发出对应一定波长的光信号，这些光信号均在分别滤光后由红外传感器接收，并分别转换为电信号；控制系统接收所述的电信号，通过各激光光源的频率作为锁相信号放大的输入参数，提取各子电池的红外缺陷分布图。本发明利用不同子电池在不同激光下激发的光信号不同的特点，快速、非接触地测试出多结太阳电池中，每个子电池上分布的隐性缺陷。
Description
技术领域
本发明属于太阳电池缺陷测试领域，具体涉及一种多结太阳电池隐性缺陷无损测试方法及系统。
背景技术
为了提升光电转换效率，空间太阳电池对太阳光谱进行划分，采用与不同光谱区匹配的不同禁带宽度半导体材料制成的子电池进行串联，达到充分利用太阳光的目的。如目前研究较成熟的体系是晶格匹配生长的GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池。
多结空间太阳电池在研制、生产、发射及在轨运行阶段，受工艺、外力、振动、高低温交变等因素的影响，在各层子电池上，会产生各类隐性缺陷并持续扩展，不仅降低发电效率，而且存在断路风险，使航天器无法工作，造成巨大的经济损失和负面社会影响。为了提升空间太阳电池阵的长期可靠性，采用高效的测试方法尽早的感知缺陷、指导生产工艺改进与提升非常必要。
中国专利CN104713883A提出了一种基于电致发光原理的空间太阳电池阵列缺陷快速检测及自动识别方法，给太阳电池通电流激发出微弱红外光，将红外探头安装在二维移动机构上进行局部区域检测，再用图像拼接算法拼出整个方阵的缺陷图。该方法能够将多结太阳电池中每个子电池的缺陷综合在一起转换成数字图像，无法表征每个子电池的缺陷，适用于工艺缺陷的感知，无法定位缺陷位于哪一层。
中国专利CN106248645A提出了一种多结太阳电池中各吸收层材料荧光寿命无损测量方法，针对不同禁带宽度吸收材料制成的子电池，采用不同的单色光源进行荧光激发，并定量测算出该吸收材料的荧光寿命，用于反映吸收材料的微观结构质量（如本征缺陷能级、杂质能级、晶格散射作用等），该方法适用于定量分析局部器件的特性，无法快速感知各子电池的整体缺陷分布。
中国专利CN205986780U提出了一种多结太阳电池特性参数测试系统，可测试出空间太阳电池常规电性能参数（开路电压、短路电流、填充因子、最大功率点、转换效率等）以外的特性参数（如：电容C-频率f、电容C-电压V、电容C-温度T等特性），属于太阳电池常规电性能测试，无法感知各层子电池的缺陷。
申请号201610598963.5专利提出了一种测试多结太阳电池各子电池电流匹配度的装置和检测方法，在不使用量子效率测试仪这样高端的仪器的情况下，仅使用太阳模拟器和多功能样品加载台，快速评估子电池电流匹配度，指导子电池的电流匹配设计，是多结太阳电池量子效率的简化方法，无法感知各层子电池的缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种多结太阳电池隐性缺陷无损测试方法及系统，能够快速、非接触地测试出空间多结太阳电池中，每个子电池上分布的隐性缺陷。
本发明为解决上述技术问题所采取的技术方案为：一种多结太阳电池隐性缺陷无损测试方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、针对被测多结太阳电池中各子电池的基体材料类型，选择对应的激光光源；激光光源的选择原则为：被选激光光源的激光光子能量大于对应子电池基体材料的禁带宽度；
S2、所有激光光源发出的激光均照射在被测多结太阳电池上；
S3、被测多结太阳电池在激光照射下，各子电池分别激发出特定波长的微弱红外光信号，这些微弱红外光信号均在分别滤光后由红外传感器接收，并分别转换为数字信号；
S4、控制与信号处理系统接收所述的数字信号，通过各激光光源的频率f作为数字锁相信号放大模块的输入参数，提取各子电池的隐性缺陷分布图。
按上述方法，所述的S4具体包括：从上至下，依次对样品的各子电池进行下述操作：依据子电池基体材料类型将对应滤光镜安装到红外传感器前方，用频率为f的调制激光光源照射被测样品，同时用高速红外传感器采集红外图像序列图；依次将红外图中每个像素点的值按时间顺序组成一组时序信号，针对每组时序信号采用数字锁相信号处理技术（如快速傅里叶变换算法FFT），计算出幅度值和相位值，组合成幅度值二维矩阵和相位二维矩阵，最后通过数字图像构成技术合成样品缺陷图，包含缺陷的形状特征。
按上述方法，所述的S2中，激光光源是被脉冲调制和匀光后的，其中激光光源的频率不高于红外传感器4正常工作帧率的1/4。。
按上述方法，所述的红外传感器满足以下条件：在被测样品禁带宽度对应的波长区间，量子效率＞80%，采样频率≥30帧/s。
按上述方法，所述的滤光由安装在红外传感器镜头上的滤光镜完成，滤光镜的个数与子电池个数相同，由滤光镜切换装置进行切换；每个滤光镜满足以下条件：在对应子电池基体材料的禁带宽度对应的波长区间内，带通截止率99.99%，透过率优于80%。
一种多结太阳电池隐性缺陷无损测试系统，其特征在于：它包括可调制激光光源组、滤光镜组及滤光镜切换装置、红外传感器、控制与信号处理系统；其中，
激光光源和滤光镜的个数均与被测多结太阳电池的子电池个数相同；激光光源的选择原则为：被选激光光源的激光光子能量大于对应子电池基体材料的禁带宽度；
所有激光光源发出的激光均照射在被测多结太阳电池上，被测多结太阳电池在激光照射下，各子电池分别激发出特定波长的微弱红外光信号，这些光信号均在分别滤光后由红外传感器接收，并分别转换为数字信号；
控制与信号处理系统接收所述的数字信号，通过各激光光源的频率f作为锁相信号放大的输入参数，提取各子电池的隐性缺陷分布图。
按上述系统，所述的控制与信号处理系统包括：红外传感控制模块、激光光源控制模块、滤镜切换控制模块、时序信号提取模块、数字低通滤波模块、数字锁相模块、数字信号发生器、数字图像合成模块和数字图像存储模块。
按上述系统，本测试系统还包括滤光镜切换装置，所述的滤光镜和滤光镜切换装置均设置在一个盒体中，盒体与红外传感器的镜头连接，滤光镜切换装置用于切换所述的滤光镜工作，用于通过被测自电池发出的微弱红外光，滤除其它子电池发出的微弱红外光。
本发明的有益效果为：利用不同子电池在不同激光下激发的微弱红外光波长不同的特点，从而快速、非接触地测试出多结太阳电池中每个子电池上分布的隐性缺陷，即将缺陷定位于具体的子电池，可用于指导不同子电池的设计和改进生长工艺。此外，采用数字图像锁相模块，可提高测试系统的信噪比，降低激光的入射强度，防止过强的激光对样品造成损坏。
附图说明
图1为本发明一实施例的系统原理图。
图2为控制与信号处理系统的结构框图。
图中：1-1：顶电池；1-2：中电池；1-3：底电池；2：滤光镜组及滤光切换装置；3：红外传感器镜头；4：红外传感器；5：控制与信号处理系统；6：可调制激光发生器组；7：激光光束组；8：被测多结太阳电池激发的微弱红外光信号；8-1、8-2、8-3分别是顶电池、中电池和底电池激发的微弱红外光信号。
具体实施方式
下面结合具体实例和附图对本发明做进一步说明。
本发明提供一种多结太阳电池隐性缺陷无损测试方法及系统，如图1所示。
S1、针对被测多结太阳电池中各子电池的基体材料类型，选择对应的激光光源；激光光源的选择原则为：被选激光光源的激光光子能量大于对应子电池基体材料的禁带宽度，即：
公式中：h为普朗克常量，h≈6.626×10-34 J·s；c为真空中的光速 c=10×108 m/s；λ为激光光谱，一般采用单位是nm；Ei为半导体材料的禁带宽度，单位为电子伏特（eV，1eV≈1.60×10-19 J）。
本实施例针对典型的GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池，即顶电池1-1为长波段Ge衬底太阳电池，中电池1-2为中波段GaAs衬底太阳电池，底电池1-3为低波段GaInP衬底太阳电池。GaInP、GaAs和Ge的禁带宽度分别在2.1eV、1.43eV、0.66eV附近，建议选择对应的激光波长分别是488nm（氩激光发生器）、808nm（CrAlO3激光器）、1050nm（钕-钇铝石榴石激光发生器）。这些激光发生器构成可调制激光发生器组6，并列安装在被测的GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池斜上方。
S2、所有激光光源发出的激光光束组7均照射在被测多结太阳电池上。对各波段激光进行匀光和强度调节，匀光面积依据样品面积，一般不建议超过40mm*40mm，均匀度优于10%，强度控制在20mW±10%，使得匀光后的激光能够照射GaInP/GaAs/Ge三结太阳电池的全部。
对各波段激光进行脉冲调制，选用方波、正弦波等常规周期性变化的波形，频率f不高于红外传感器4正常工作帧率的1/4。。
S3、被测多结太阳电池在调制激光照射下，各子电池分别激发出对应特定波长的微弱红外光信号，本实施例中即顶电池、中电池和底电池激发的光信号8-1、8-2和8-3，这些光信号均在分别滤光后由红外传感器4接收，并分别转换为数字信号。
红外传感器4的基本条件：在被测多结太阳电池材料的禁带宽度对应的波长区间，量子效率＞80%，采样频率≥30帧/s，针对GaInP/GaAs/Ge太阳电池，比较合适的选择是InGaAs探测器。
针对各子电池机体材料，各选择一款合适的滤光镜，在被测子电池基体材料禁带宽度对应的波长区间内，带通截止率99.99%，透过率优于80%。滤光镜组及滤光镜切换装置2固定在红外传感器镜头3上，使得受控切换使用不同的滤光镜，对应顶电池、中电池和底电池激发的光信号8-1、8-2和8-3的滤光，并保证无任何环境干扰光绕过滤光镜进入红外传感器4的感光元件。滤光镜切换装置由控制与信号处理系统5控制。
具体的，所述的滤光镜和滤光镜切换装置2均设置在一个盒体中，盒体与红外传感器4的镜头连接，滤光镜切换装置用于切换所述的滤光镜工作，用于通过被测自电池发出的微弱红外光，滤除其它子电池发出的微弱红外光。
S4、控制与信号处理系统接收所述的电信号，通过各激光光源的频率f作为锁相信号放大的输入参数，提取各子电池的隐性缺陷分布图。
如图2所示，所述的控制与信号处理系统包括：红外传感控制模块、激光光源控制模块、时序信号提取模块、数字低通滤波模块、数字锁相模块、数字信号发生器、数字图像合成模块和数字图像存储模块；其中，激光光源控制模块用于控制激光光源的开关，依次对样品的各子电池采用对应频率的激光光源照射；红外传感控制模块用于控制红外传感器的开关，依次采集样品的各子电池激发出的微弱红外光信号，即红外图；时序信号提取模块用于依次将红外传感器采集的红外图中每个像素点的值按时间顺序组成对应的一组时序信号；数字低通滤波模块用于对所述的时序信号进行滤波处理；数字锁相模块用于针对每组滤波后的时序信号采用数字锁相信号处理技术，计算出幅度值和相位值，组合成幅度值二维矩阵和相位二维矩阵；数字图像合成模块，用于将幅度值二维矩阵和相位二维矩阵，通过数字图像构成技术合成样品缺陷图，包含缺陷的形状特征；数字信号发生器，用于调节激光光源的频率，并将激光光源的频率输入给数字锁相模块，作为锁相信号放大的输入参数。
所述的控制与信号处理系统还包括滤镜切换控制模块，用于控制滤光镜切换装置的切换动作。
所述的S4具体包括：
从上至下，依次对样品的各子电池进行下述操作：依据子电池基体材料类型将对应滤光镜安装到红外传感器前方，用频率为f的调制激光光源照射被测样品，同时用高速红外传感器采集红外图像序列图；依次将红外图中每个像素点的值按时间顺序组成一组时序信号，针对每组时序信号采用数字锁相信号处理技术（如快速傅里叶变换算法FFT），计算出幅度值和相位值，组合成幅度值二维矩阵和相位二维矩阵，最后通过数字图像构成技术合成样品缺陷图，包含缺陷的形状特征和在材料中的深度。
控制与信号系统需要依据被测子电池基体材料将对应滤光镜切换并安装到红外传感器前方，控制激光发生器组6依次发出对应波长的调制激光，启动红外传感器获得各子电池对应的微弱红外光号，转换成数字信号，进而采用数字锁相放大技术，合成各子电池的隐性缺陷分布图。
本发明能够将缺陷定位于具体的子电池，从而能够有针对性地指导不同子电池的设计和改进生长工艺；可用于分析其它常规电性能参数异常的材料层原因，进行定性分析，如发电效率、载流子寿命等参数异常；由于本发明操作简单，设备少而精，可为样品提供在线全检，有效提出隐患样品，保障多结太阳电池方阵长期在轨运行的可靠性。该方法无损、非接触，不对样品造成任何物理损伤；采用数字锁相技术提升测试系统的信噪比，降低激光的强度，可避免过强激光对样品的损坏
在此说明，本实施例仅以三结太阳电池为例，若为其它数量子电池，则需要相应的增加或减少激光发生器和滤光镜即可，原理不变。
以上实施例仅用于说明本发明的设计思想和特点，其目的在于使本领域内的技术人员能够了解本发明的内容并据以实施，本发明的保护范围不限于上述实施例。所以，凡依据本发明所揭示的原理、设计思路所作的等同变化或修饰，均在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多结太阳电池隐性缺陷无损测试方法，其特征在于：它包括以下步骤：
S1、针对被测多结太阳电池中各子电池的基体材料类型，选择对应的激光光源；激光光源的选择原则为：被选激光光源的激光光子能量大于对应子电池基体材料的禁带宽度；
S2、所有激光光源发出的激光均照射在被测多结太阳电池上，
S3、被测多结太阳电池在激光照射下，各子电池分别激发出特定波长的微弱红外光信号，这些微弱红外光信号均在分别滤光后由红外传感器接收，并分别转换为数字信号；
S4、控制与信号处理系统接收所述的数字信号，通过各激光光源的频率f作为数字锁相信号放大模块的输入参数，提取各子电池的隐性缺陷分布图。
2.根据权利要求1所述的多结太阳电池隐性红外缺陷无损测试方法，其特征在于：所述的S4具体包括：从上至下，依次对样品的各子电池进行下述操作：依据子电池基体材料类型将对应滤光镜安装到红外传感器前方，用频率为f的调制激光光源照射被测样品，同时用高速红外传感器采集红外图像序列图；依次将红外图中每个像素点的值按时间顺序组成一组时序信号，针对每组时序信号采用数字锁相信号处理技术，计算出幅度值和相位值，组合成幅度值二维矩阵和相位二维矩阵，最后通过数字图像构成技术合成样品缺陷图，包含缺陷的形状特征。
3.根据权利要求1所述的多结太阳电池隐性缺陷无损测试方法，其特征在于：所述的S2中，激光光源是被脉冲调制和匀光后的，其中激光光源的频率不高于红外传感器4正常工作帧率的1/4。
4.根据权利要求1所述的多结太阳电池隐性红外缺陷无损测试方法，其特征在于：所述的红外传感器满足以下条件：在被测样品禁带宽度对应的波长区间，量子效率＞80%，采样频率≥30帧/s。
5.根据权利要求1所述的多结太阳电池隐性缺陷无损测试方法，其特征在于：所述的滤光由安装在红外传感器镜头上的滤光镜完成，滤光镜的个数与子电池个数相同，由滤光镜切换装置进行切换；每个滤光镜满足以下条件：在对应子电池基体材料的禁带宽度对应的波长区间内，带通截止率99.99%，透过率优于80%。
6.一种多结太阳电池隐性缺陷无损测试系统，其特征在于：它包括可调制激光光源组、滤光镜及滤光镜切换装置、红外传感器、控制与信号处理系统；其中，
激光光源和滤光镜的个数均与被测多结太阳电池的子电池个数相同；激光光源的选择原则为：被选激光光源的激光光子能量大于对应子电池基体材料的禁带宽度；
所有激光光源发出的激光均照射在被测多结太阳电池上，被测多结太阳电池在激光照射下，各子电池分别激发出特定波长的微弱红外光信号，这些光信号均在分别滤光后由红外传感器接收，并分别转换为数字信号；
控制与信号处理系统接收所述的数字信号，通过各激光光源的频率f作为锁相信号放大的输入参数，提取各子电池的隐性缺陷分布图。
7.根据权利要求6所述的多结太阳电池隐性缺陷无损测试系统，其特征在于：所述的控制与信号处理系统包括：红外传感控制模块、激光光源控制模块、时序信号提取模块、数字低通滤波模块、数字锁相模块、数字信号发生器、数字图像合成模块和数字图像存储模块；其中，
激光光源控制模块用于控制激光光源的开关，依次对样品的各子电池采用对应频率的激光光源照射；
红外传感控制模块用于控制红外传感器的开关，依次采集样品的各子电池激发出的微弱红外光信号，即红外图；
时序信号提取模块用于依次将红外传感器采集的红外图中每个像素点的值按时间顺序组成对应的一组时序信号；
数字低通滤波模块用于对所述的时序信号进行滤波处理；
数字锁相模块用于针对每组滤波后的时序信号采用数字锁相信号处理技术，计算出幅度值和相位值，组合成幅度值二维矩阵和相位二维矩阵；
数字图像合成模块，用于将幅度值二维矩阵和相位二维矩阵，通过数字图像构成技术合成样品缺陷图，包含缺陷的形状特征；
数字信号发生器，用于调节激光光源的频率，并将激光光源的频率输入给数字锁相模块，作为锁相信号放大的输入参数。
8.根据权利要求6所述的多结太阳电池隐性缺陷无损测试系统，其特征在于：本测试系统还包括滤光镜切换装置，所述的滤光镜和滤光镜切换装置均设置在一个盒体中，盒体与红外传感器的镜头连接，滤光镜切换装置用于切换所述的滤光镜工作，用于通过被测自电池发出的微弱红外光，滤除其它子电池发出的微弱红外光；所述的控制与信号处理系统还包括滤镜切换控制模块，用于控制滤光镜切换装置的切换动作。
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