CN113189142A - 一种制备模拟光伏组件缺陷等效试件的装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备模拟光伏组件缺陷等效试件的装置与方法，它涉及光伏组件缺陷单元等效试件的制备装置及其制备方法，它是要解决现有的光伏组件上的缺陷只能通过计算机模型来研究的技术问题。本装置包括放置在载物台上的飞秒激光发生器、聚焦离子束发生器、飞秒激光光纤、聚焦离子束传导线、飞秒激光发射头、聚焦离子束发射头、缺陷加工机构和载物架；飞秒激光发生器经飞秒激光光纤与飞秒激光发射头连接，聚焦离子束发生器经聚焦离子束传导线与聚焦离子束发射头连接。方法：将太阳能电池片放在缺陷加工机构上固定，用飞秒激光或聚焦离子束灼烧，得到欧姆分流或弱二极管效应缺陷等效试件。用于太阳能电池领域。
Description
技术领域
本发明涉及光伏组件缺陷单元等效试件的制备装置及其制备方法，具体涉及模拟欧姆分流和弱二极管效应的光伏组件缺陷单元等效试件的制备装置及其制备方法。
背景技术
近年来新能源的高效利用，使得光伏发电技术成为未来可再生能源供应的关键技术之一。光伏电池以及其光伏组件快速发展并应用到各行各业中，并且对单个光伏电池片的发电效率开发已经取得了很大的进步，但是单个光伏电池片和光伏组件的发电效率之间的差异却有很大的距离。推其原因，可能是单个光伏电池片的局部欧姆分流和弱二极管效应等缺陷阻碍了组件效率的提高。这些缺陷可能是在加工过程中造成的，也可能是在室外使用过程中逐步产生的。在光伏组件的实际使用中，其缺陷的产生是随机的和不确定性的，同时，电池上的不同缺陷以及缺陷所在不同位置都会对组件的性能产生不同的影响。由于缺陷在实际使用过程中是随机出现在光伏单元上的，并且所产生的缺陷大小和清晰度均不相等，导致对产生的缺陷进行系统性、实验性分析是很困难的。因此到目前为止，研究这些缺陷所产生的影响只能通过计算机模型进行研究。如果能够在光伏电池单元的选定位置制造明确的缺陷，将会对实验系统性研究产生很大的帮助。
发明内容
本发明是要解决现有的光伏组件上的缺陷只能通过计算机模型来研究的技术问题，而提供一种制备模拟光伏组件缺陷等效试件的装置与方法，本发明的装置和方法能够在光伏单元上制造出明确、清晰的局部缺陷，能够控制局部缺陷的位置和尺寸，是模拟欧姆分流和弱二极管效应缺陷的等效试件。
本发明的制备模拟光伏组件缺陷等效试件的装置，包括载物台1、飞秒激光发生器2、聚焦离子束发生器3、飞秒激光光纤4、聚焦离子束传导线5、飞秒激光发射头6、聚焦离子束发射头7、缺陷加工机构8、载物架9；
其中所述飞秒激光发生器2用于产生飞秒激光，飞秒激光光纤4用于传导飞秒激光，飞秒激光发生器2经飞秒激光光纤4与飞秒激光发射头6连接；飞秒激光通过飞秒激光发射头7，作用在单/多晶硅太阳能电池片表面上，可以制造出明确的局部弱二极管效应缺陷；
所述聚焦离子束发生器3用于产生离子束，聚焦离子束传导线5用于传导聚焦离子束，聚焦离子束发生器3经聚焦离子束传导线5与聚焦离子束发射头7连接；聚焦离子束通过聚焦离子束发射头7作用在单/多晶硅太阳能电池片表面上，可以制造出明确的局部欧姆分流缺陷；
缺陷加工机构8上包括加工平台8-1和发射头夹持装置8-2；加工平台8-1用于缺陷制备时放置单/多晶太阳能电池片；飞秒激光发射头6或聚焦离子束发射头7工作时夹持在发射头夹持装置8-2上；载物架9用于安放非工作状态的飞秒激光发射头6和聚焦离子束发射头7；
飞秒激光发生器2、聚焦离子束发生器3、缺陷加工机构8和载物架9设置在载物台1上。载物台1用于承载缺陷加工机构以及其他工作仪器；
更进一步地，加工平台8-1由基座8-1-1、加工平面板8-1-2、至少两个压载片8-1-3、至少两个旋紧螺母8-1-4和至少两个绝缘橡胶底片8-1-5组成；
基座8-1-1由四块基座板拼装固定而成，其中左右两侧开横槽8-1-1-1，前后两侧各开两个定位孔8-1-1-2；
加工平面板8-1-2固定在基座8-1-1上表面，加工平面板8-1-2的上表面设置有凹陷平面8-1-2-1，用于定位太阳能电池片并计算坐标；在加工平面板8-1-2上还设置有长槽8-1-2-2；
压载片8-1-3的截面为L型，一端通过旋紧螺母8-1-4安装在长槽8-1-2-2内，另一端的端面上贴有绝缘橡胶底片8-1-5，用于调整和固定单/多晶太阳能电池片位置；绝缘橡胶底片8-1-4具有较好的弹性，用于保护压载片在压载单/多晶太阳能电池片时不会被压碎，同时保证在加工缺陷时不会与压载片实现电导通；
更进一步地，加工平面板8-1-2为绝缘硬质材料，优选的是绝缘陶瓷石板，因加工平面板8-1-2会与单/多晶太阳能电池片直接接触，绝缘硬质材料可以避免在加工缺陷过程中产出导电现象；
更进一步地，凹陷平面8-1-2-1的凹陷深度为1～5mm，并设定凹陷平面的左下角为坐标原点；由于单/多晶太阳能电池片的厚度一般不超过1mm，所以优选的凹陷深度为1～5mm为了更好地定位单/多晶太阳能电池片并方便计算坐标值；
更进一步地，发射头夹持装置8-2固定在三维移动装置10上；
三维移动装置10由x轴移动系统10-1、y轴移动系统10-2、z轴移动系统10-3组成，用于实现发射头的三维坐标移动；
其中x轴移动系统10-1包括x轴同步带连接板10-1-1、x轴同步带紧定片10-1-2、第一光轴10-1-3、第二光轴10-1-4、第一直线轴承10-1-5、第二直线轴承10-1-6、x轴步进电机支座10-1-7、x轴步进电机10-1-8、x轴同步带10-1-9；
第一光轴10-1-3和第二光轴10-1-4分别通过基座8-1-1前后两侧的定位孔8-1-1-2固定在基座8-1-1内；
第一直线轴承10-1-5穿过第一光轴10-1-3固定在x轴同步带连接板10-1-1上；
第二直线轴承10-1-6穿过第二光轴10-1-4也固定在x轴同步带连接板10-1-1上；
第一直线轴承10-1-5、第二直线轴承10-1-6安装在x轴同步带连接板10-1-1内侧，x轴同步带连接板10-1-1穿过基座8-1-1左右两侧的横槽8-1-1-1，与x轴同步带紧定片10-1-2上下夹紧x轴同步带10-1-9进行固定；x轴步进电机10-1-8通过x轴步进电机支座10-1-7固定在基座8-1-1前侧内壁上，用于驱动x轴同步带10-1-9进行半程转动，x轴同步带10-1-9带动x轴同步带连接板10-1-1进行x轴方向移动。
其x轴移动系统工作原理如下：
通过计算机控制x轴步进电机10-1-8进行工作，会带动x轴步进电机10-1-8连接的轴进行转动，从而带动轴上的x轴同步带10-1-9的带轮进行转动，x轴同步带进行移动，将其上下夹紧的x轴同步带连接板10-1-1、x轴同步带紧定片10-1-2协同一起移动，固定在x轴同步带连接板10-1-1上穿过第一光轴10-1-3的第一直线轴承10-1-5、穿过第二光轴10-1-4的第二直线轴承10-1-6保证了x轴同步带连接板10-1-1不会错位移动，最终实现了在基座8-1-1的长度范围内x轴方向的移动。
y轴移动系统10-2包括第一z轴立高板10-2-1、第二z轴立高板10-2-2、y轴顶板10-2-3、第三光轴10-2-4、第三直线轴承10-2-5、y轴步进电机支座10-2-6、y轴步进电机10-2-7、y轴联轴器10-2-8、y轴滚珠丝杠10-2-9、y轴滚珠丝杠螺母10-2-10、连接板10-2-11。
z轴移动系统10-3包括z轴安装座10-3-1、第一微型直线滑台10-3-2、第二微型直线滑台10-3-3、z轴步进电机10-3-4、z轴联轴器10-3-5、z轴同步带10-3-6、z轴滚珠丝杆10-3-7、z轴滚珠丝杠螺母10-3-8、钣金固定件10-3-9、发射头安装座10-3-10、内六角螺钉10-3-11。
第一z轴立高板10-2-1、第二z轴立高板10-2-2焊接在x轴同步带连接板10-1-1的左右两侧的外侧，第一z轴立高板10-2-1上方开一个定位孔，第二z轴立高板10-2-2上方开两个定位孔，y轴顶板10-2-3固定在第一z轴立高板10-2-1、第二z轴立高板10-2-2的顶端；第三光轴10-2-4通过第一z轴立高板10-2-1、第二z轴立高板10-2-2的定位孔安装在第一z轴立高板10-2-1、第二z轴立高板10-2-2上方内侧，第三直线轴承10-2-5穿过第三光轴10-2-4通过连接板10-2-11与z轴安装座10-3-1固定在一起；y轴滚珠丝杠螺母10-2-10与连接板10-2-11固定在一起，进而使得第三直线轴承10-2-5、连接板10-2-11、y轴滚珠丝杠螺母10-2-10与z轴安装座10-3-1成为一体；y轴步进电机10-2-7通过y轴步进电机支座10-2-6固定在第一z轴立高板10-2-1上方内侧，y轴步进电机10-2-7连接y轴联轴器10-2-8，y轴联轴器10-2-8链接y轴滚珠丝杠10-2-9，y轴滚珠丝杠10-2-9的另一端安装在第二z轴立高板10-2-2的定位孔内，y轴滚珠丝杠10-2-9的转动带动z轴安装座10-3-1进行y轴方向移动；
第一微型直线滑台10-3-2、第二微型直线滑台10-3-3安装在z轴安装座10-3-1上，与背后的z轴滚珠丝杠螺母10-3-8实现连接，钣金固定件10-3-9固定在第一微型直线滑台10-3-2、第二微型直线滑台10-3-3上，发射头安装座10-3-10通过若干内六角螺钉10-3-11安装在钣金固定件10-3-9上；z轴步进电机10-3-4、z轴联轴器10-3-5、z轴同步带10-3-6、z轴滚珠丝杆46、z轴滚珠丝杠螺母10-3-8安装在z轴安装座10-3-1背后，z轴步进电机10-3-4通过z轴联轴器10-3-5带动z轴同步带10-3-6转动，进而控制z轴滚珠丝杠螺母10-3-8进行z轴方向移动，控制通过z轴滚珠丝杠螺母10-3-8连接的第一微型直线滑台10-3-2、第二微型直线滑台10-3-3进行z轴方向移动，最终带动发射头安装座10-3-10进行z轴方向移动。
其y轴移动系统、z轴移动系统工作原理如下：
首先，通过第一z轴立高板10-2-1、第二z轴立高板10-2-2对z轴的高度进行了限定，将第三光轴10-2-4固定在第一z轴立高板10-2-1、第二z轴立高板10-2-2的上方内侧，穿过第三光轴10-2-4的第三直线轴承10-2-5与连接板10-2-11、y轴滚珠丝杠螺母10-2-10、z轴安装座10-3-1进行连接形成一个整体，实现了z轴安装座的固定。
然后，对于y轴移动系统进行实现，通过安装在第一z轴立高板10-2-1上方内侧的、y轴步进电机支座10-2-6进行工作，带动与之连接的y轴联轴器10-2-8、y轴滚珠丝杠螺母10-2-10转动，y轴滚珠丝杠螺母10-2-10的转动会带动y轴滚珠丝杠螺母10-2-10进行平行移动，从而实现z轴安装座10-3-1进行y轴方向移动。
最后，对于z轴移动系统进行实现，通过计算机控制安装在z轴安装座10-3-1背部的z轴步进电机10-3-4进行工作，带动与之相连的z轴联轴器10-3-5转动，z轴联轴器10-3-5带动z轴同步带10-3-6平行转动，z轴同步带10-3-6带动z轴滚珠丝杠螺母10-3-8上下移动，从而与之相连的第一微型直线滑台10-3-2、第二微型直线滑台10-3-3实现上下滑动，最终实现安装在第一微型直线滑台10-3-2、第二微型直线滑台10-3-3上的钣金固定件钣金固定件10-3-9、发射头安装座发射头安装座10-3-10的z轴方向移动。
更进一步地，发射头夹持装置8-2由发射头固定端8-2-1、发射头移动端8-2-2和旋转手柄8-2-3组成，发射头固定端8-2-1安装在发射头安装座10-3-10左侧，发射头移动端8-2-2安装在发射头安装座10-3-10右侧并与旋转手柄8-2-3连接，通过转动旋转手柄8-2-3来控制发射头移动端8-2-2的左右移动，实现控制发射头移动端8-2-2夹紧飞秒激光发射头6或聚焦离子束发射头7。
所述x轴步进电机10-1-8、y轴步进电机10-2-7、z轴步进电机10-3-4均由计算机进行准确控制。
本发明的制备模拟光伏组件缺陷的等效试件的方法，按以下步骤进行：
第一步：按照欧姆分流和/或弱二极管效应缺陷设计要求，通过计算机绘制缺陷加工位置图；
第二步：将单晶/多晶太阳能电池片11放在加工平台8-1上固定；
第三步：从载物架9上取下飞秒激光发射头6或聚焦离子束发射头7，固定在发射头夹持装置8-2上；
第四步：启动飞秒激光发生器2发射飞秒激光，通过飞秒激光光纤4将传导的飞秒激光通过飞秒激光发射头6作用在单/多晶太阳能电池片上，烧灼，得到具有弱二极管效应缺陷的等效试件；关闭飞秒激光发生器2，取下飞秒激光发射头6，置于载物架9上；
或者，启动聚焦离子束发生器3发射聚焦离子束，通过聚焦离子束传导线5将传导的聚焦离子束通过聚焦离子束发射头7作用于单/多晶太阳能电池片上，烧灼，得到具有局部欧姆分流缺陷的等效试件；关闭聚焦离子束发生器3，取下聚焦离子束发射头7，置于载物架9上。
更进一步地，步骤二中所述的单晶/多晶太阳能电池片为健康片的未封装单/多晶太阳能电池片；
更进一步地，所述的健康单/多晶太阳能电池片为没有产生自然分流的电池片；
更进一步地，所述的健康单/多晶太阳能电池片的背面为覆盖的铝金属层11-3。
更进一步地，飞秒激光发射头6或聚焦离子束发射头7与单晶/多晶太阳能电池片表面的距离为5～15mm，优选的是10mm。
更进一步地，飞秒激光发射器2发射的飞秒激光工作频率为450～500kHz，烧灼时间为10～15s；烧灼而产生的弱二极管效应缺陷的直径为18～20μm；
更进一步地，聚焦离子束发生器3发射的聚焦离子束电流为160～230mA，烧灼时间为8～15s；烧灼而产生的欧姆分流缺陷直径为1～3μm。
相比于现有技术，本发明具有如下优点：
1、利用本发明的装置和方法制备的模拟欧姆分流和弱二极管效应的光伏组件单元等效试件，是真实接近且优于实际产生的欧姆分流和弱二极管效应缺陷，使得实验效果远远高于实际缺陷实验效果。
2、本发明能通过调整离子束电流大小来控制所产生的欧姆缺陷尺寸，其缺陷越大，对光伏电池所产生的影响越严重。同时，弱二极管效应可以通过改变激光功率来进行调整。利用此等效试件可以研究不同的缺陷规格对太阳能电池电性能所造成的影响程度大小。
3、本发明可以人为的控制制造缺陷时所在位置和制造缺陷的数量，从而可以很容易的在一定范围内调整电池的性能损失。
4、本发明制造欧姆分流和弱二极管效应的等效方法应用在光伏组件单元局部电缺陷及其他类型缺陷的检测效果中具有良好的效果。
5、本发明设计的缺陷制造机构具有轻量化的优点，体积小，适合科研实验。
6、本发明设计的缺陷加工机构，所选择的加工平面材料具有绝缘特性，防止了在缺陷加工过程中因为电池片与加工平面的电导通产生的不良结果。
7、本发明设计的缺陷加工机构，能够适应不同尺寸、不同规格的太阳能电池片，同时设计的压紧片可以进行不同位置、不同角度的固定。
附图说明
图1为本发明的制备模拟光伏组件缺陷等效试件的装置的总体结构示意图；
图2为制备模拟光伏组件缺陷等效试件的装置中缺陷加工机构8结构示意图；
图3为缺陷加工机构8中加工平台8-1的结构示意图；
图4为缺陷加工机构加工平台背部x轴移动系统10-1细节示意图；
图5为y轴移动系统10-2、z轴移动系统10-3细节示意图；
图6为y轴移动系统10-2、z轴移动系统10-3背面细节示意图；
图7为实施例1中单晶/多晶太阳能电池片11上的预加工缺陷位置示意图；
图8为实施例1中单晶/多晶太阳能电池片预加工缺陷等效试件的横截面局部示意图；
图9为实施例1制备的模拟光伏组件缺陷等效试件通过红外热像仪获取的表面温度图。
图中：1为载物台，2为飞秒激光发生器，3为聚焦离子束发生器，4为飞秒激光光纤，5为聚焦离子束传导线，6为飞秒激光发射头，7为聚焦离子束发射头，8为缺陷加工机构，9为载物架，10为三维移动装置，11为单晶/多晶太阳能电池片；
8-1为加工平台，8-1-1为基座，8-1-1-1为横槽，8-1-1-2为定位孔；8-1-2为加工平面板，8-1-2-1为凹陷平面，8-1-2-2为长槽；8-1-3为压载片，8-1-4为旋紧螺母，8-1-5为绝缘橡胶底片；8-2为发射头夹持装置；
10-1为x轴移动系统，10-1-1为x轴同步带连接板、10-1-2为x轴同步带紧定片、10-1-3为第一光轴、10-1-4为第二光轴、10-1-5为第一直线轴承、10-1-6为第二直线轴承、10-1-7为x轴步进电机支座、10-1-8为x轴步进电机、10-1-9为x轴同步带；
10-2为y轴移动系统，10-2-1为第一z轴立高板、10-2-2为第二z轴立高板、10-2-3为y轴顶板、10-2-4为第三光轴、10-2-5为第三直线轴承、10-2-6为y轴步进电机支座、10-2-7为y轴步进电机、10-2-8为y轴联轴器、10-2-9为y轴滚珠丝杠、10-2-10为y轴滚珠丝杠螺母、10-2-11为连接板。
10-3为z轴移动系统，10-3-1为z轴安装座、10-3-2为第一微型直线滑台、10-3-3为第二微型直线滑台、10-3-4为z轴步进电机、10-3-5为z轴联轴器、10-3-6为z轴同步带、10-3-7为z轴滚珠丝杆、10-3-8为z轴滚珠丝杠螺母、10-3-9为钣金固定件、10-3-10为发射头安装座、10-3-11为内六角螺钉；
11-1为弱二极管效应缺陷点，11-2为欧姆缺陷点，11-3为铝金属层。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
实施例1：本实施例的制备模拟光伏组件缺陷等效试件的装置由载物台1、飞秒激光发生器2、聚焦离子束发生器3、飞秒激光光纤4、聚焦离子束传导线5、飞秒激光发射头6、聚焦离子束发射头7、缺陷加工机构8、载物架9和三维移动装置10组成；
其中所述飞秒激光发生器2用于产生飞秒激光，飞秒激光光纤4用于传导飞秒激光，飞秒激光发生器2经飞秒激光光纤4与飞秒激光发射头6连接；飞秒激光通过飞秒激光发射头7，作用在单/多晶硅太阳能电池片表面上，可以制造出明确的局部弱二极管效应缺陷；
所述聚焦离子束发生器3用于产生离子束，聚焦离子束传导线5用于传导聚焦离子束，聚焦离子束发生器3经聚焦离子束传导线5与聚焦离子束发射头7连接；聚焦离子束通过聚焦离子束发射头7作用在单/多晶硅太阳能电池片表面上，可以制造出明确的局部欧姆分流缺陷；
缺陷加工机构8上包括加工平台8-1和发射头夹持装置8-2；加工平台8-1用于缺陷制备时放置单/多晶太阳能电池片；飞秒激光发射头6或聚焦离子束发射头7工作时夹持在发射头夹持装置8-2上；载物架9用于安放非工作状态的飞秒激光发射头6和聚焦离子束发射头7；
飞秒激光发生器2、聚焦离子束发生器3、缺陷加工机构8和载物架9设置在载物台1上，载物台1用于承载缺陷加工机构以及其他工作仪器；
加工平台8-1由基座8-1-1、加工平面板8-1-2、四个压载片8-1-3、四个旋紧螺母8-1-4和四个绝缘橡胶底片8-1-5组成；
基座8-1-1由四块基座板拼装固定而成，其中左右两侧开横槽8-1-1-1，前后两侧各开两个定位孔8-1-1-2；
加工平面板8-1-2固定在基座8-1-1上表面，加工平面板8-1-2的上表面设置有凹陷平面8-1-2-1，用于定位太阳能电池片并计算坐标；在加工平面板8-1-2上还设置有长槽8-1-2-2；
压载片8-1-3的截面为L型，一端通过旋紧螺母8-1-4安装在长槽8-1-2-2内，另一端的端面上贴有绝缘橡胶底片8-1-5，用于调整和固定单/多晶太阳能电池片位置；绝缘橡胶底片8-1-4具有较好的弹性，用于保护压载片在压载单/多晶太阳能电池片时不会被压碎，同时保证在加工缺陷时不会与压载片实现电导通；
加工平面板8-1-2为绝缘陶瓷石板，因加工平面板8-1-2会与单/多晶太阳能电池片直接接触，绝缘硬质材料可以避免在加工缺陷过程中产出导电现象；
凹陷平面8-1-2-1的凹陷深度为3mm，并设定凹陷平面的左下角为坐标原点；由于单/多晶太阳能电池片的厚度一般不超过1mm，所以选择的凹陷深度为3mm，为了更好地定位单/多晶太阳能电池片并方便计算坐标值，设定凹陷平面的左下角为坐标原点。
发射头夹持装置8-2固定在三维移动装置10上；
三维移动装置10由x轴移动系统10-1、y轴移动系统10-2、z轴移动系统10-3组成，用于实现发射头的三维坐标移动；
其中x轴移动系统10-1包括x轴同步带连接板10-1-1、x轴同步带紧定片10-1-2、第一光轴10-1-3、第二光轴10-1-4、第一直线轴承10-1-5、第二直线轴承10-1-6、x轴步进电机支座10-1-7、x轴步进电机10-1-8、x轴同步带10-1-9；
第一光轴10-1-3和第二光轴10-1-4分别通过基座8-1-1前后两侧的定位孔8-1-1-2固定在基座8-1-1内；
第一直线轴承10-1-5穿过第一光轴10-1-3固定在x轴同步带连接板10-1-1上；
第二直线轴承10-1-6穿过第二光轴10-1-4也固定在x轴同步带连接板10-1-1上；
第一直线轴承10-1-5、第二直线轴承10-1-6安装在x轴同步带连接板10-1-1内侧，x轴同步带连接板10-1-1穿过基座8-1-1左右两侧的横槽8-1-1-1，与x轴同步带紧定片10-1-2上下夹紧x轴同步带10-1-9进行固定；x轴步进电机10-1-8通过x轴步进电机支座10-1-7固定在基座8-1-1前侧内壁上，用于驱动x轴同步带10-1-9进行半程转动，x轴同步带10-1-9带动x轴同步带连接板10-1-1进行x轴方向移动。
y轴移动系统10-2包括第一z轴立高板10-2-1、第二z轴立高板10-2-2、y轴顶板10-2-3、第三光轴10-2-4、第三直线轴承10-2-5、y轴步进电机支座10-2-6、y轴步进电机10-2-7、y轴联轴器10-2-8、y轴滚珠丝杠10-2-9、y轴滚珠丝杠螺母10-2-10、连接板10-2-11。
z轴移动系统10-3包括z轴安装座10-3-1、第一微型直线滑台10-3-2、第二微型直线滑台10-3-3、z轴步进电机10-3-4、z轴联轴器10-3-5、z轴同步带10-3-6、z轴滚珠丝杆10-3-7、z轴滚珠丝杠螺母10-3-8、钣金固定件10-3-9、发射头安装座10-3-10、内六角螺钉10-3-11。
第一z轴立高板10-2-1、第二z轴立高板10-2-2焊接在x轴同步带连接板10-1-1的左右两侧的外侧，第一z轴立高板10-2-1上方开一个定位孔，第二z轴立高板10-2-2上方开两个定位孔，y轴顶板10-2-3固定在第一z轴立高板10-2-1、第二z轴立高板10-2-2的顶端；第三光轴10-2-4通过第一z轴立高板10-2-1、第二z轴立高板10-2-2的定位孔安装在第一z轴立高板10-2-1、第二z轴立高板10-2-2上方内侧，第三直线轴承10-2-5穿过第三光轴10-2-4通过连接板10-2-11与z轴安装座10-3-1固定在一起；y轴滚珠丝杠螺母10-2-10与连接板10-2-11固定在一起，进而使得第三直线轴承10-2-5、连接板10-2-11、y轴滚珠丝杠螺母10-2-10与z轴安装座10-3-1成为一体；y轴步进电机10-2-7通过y轴步进电机支座10-2-6固定在第一z轴立高板10-2-1上方内侧，y轴步进电机10-2-7连接y轴联轴器10-2-8，y轴联轴器10-2-8链接y轴滚珠丝杠10-2-9，y轴滚珠丝杠10-2-9的另一端安装在第二z轴立高板10-2-2的定位孔内，y轴滚珠丝杠10-2-9的转动带动z轴安装座10-3-1进行y轴方向移动；
第一微型直线滑台10-3-2、第二微型直线滑台10-3-3安装在z轴安装座10-3-1上，与背后的z轴滚珠丝杠螺母10-3-8实现连接，钣金固定件10-3-9固定在第一微型直线滑台10-3-2、第二微型直线滑台10-3-3上，发射头安装座10-3-10通过四个内六角螺钉10-3-11安装在钣金固定件10-3-9上；z轴步进电机10-3-4、z轴联轴器10-3-5、z轴同步带10-3-6、z轴滚珠丝杆46、z轴滚珠丝杠螺母10-3-8安装在z轴安装座10-3-1背后，z轴步进电机10-3-4通过z轴联轴器10-3-5带动z轴同步带10-3-6转动，进而控制z轴滚珠丝杠螺母10-3-8进行z轴方向移动，控制通过z轴滚珠丝杠螺母10-3-8连接的第一微型直线滑台10-3-2、第二微型直线滑台10-3-3进行z轴方向移动，最终带动发射头安装座10-3-10进行z轴方向移动。
x轴步进电机10-1-8、y轴步进电机10-2-7、z轴步进电机10-3-4均由计算机进行准确控制。
发射头夹持装置8-2由发射头固定端8-2-1、发射头移动端8-2-2和旋转手柄8-2-3组成，发射头固定端8-2-1安装在发射头安装座10-3-10左侧，发射头移动端8-2-2安装在发射头安装座10-3-10右侧并与旋转手柄8-2-3连接，通过转动旋转手柄8-2-3来控制发射头移动端8-2-2的左右移动，实现控制发射头移动端8-2-2夹紧飞秒激光发射头6或聚焦离子束发射头7。
其中x轴移动系统工作原理如下：
通过计算机控制x轴步进电机10-1-8进行工作，会带动x轴步进电机10-1-8连接的轴进行转动，从而带动轴上的x轴同步带10-1-9的带轮进行转动，x轴同步带进行移动，将其上下夹紧的x轴同步带连接板10-1-1、x轴同步带紧定片10-1-2协同一起移动，固定在x轴同步带连接板10-1-1上穿过第一光轴10-1-3的第一直线轴承10-1-5、穿过第二光轴10-1-4的第二直线轴承10-1-6保证了x轴同步带连接板10-1-1不会错位移动，最终实现了在基座8-1-1的长度范围内x轴方向的移动。
其中y轴移动系统、z轴移动系统工作原理如下：
首先，通过第一z轴立高板10-2-1、第二z轴立高板10-2-2对z轴的高度进行了限定，将第三光轴10-2-4固定在第一z轴立高板10-2-1、第二z轴立高板10-2-2的上方内侧，穿过第三光轴10-2-4的第三直线轴承10-2-5与连接板10-2-11、y轴滚珠丝杠螺母10-2-10、z轴安装座10-3-1进行连接形成一个整体，实现了z轴安装座的固定。
然后，对于y轴移动系统进行实现，通过安装在第一z轴立高板10-2-1上方内侧的、y轴步进电机支座10-2-6进行工作，带动与之连接的y轴联轴器10-2-8、y轴滚珠丝杠螺母10-2-10转动，y轴滚珠丝杠螺母10-2-10的转动会带动y轴滚珠丝杠螺母10-2-10进行平行移动，从而实现z轴安装座10-3-1进行y轴方向移动。
最后，对于z轴移动系统进行实现，通过计算机控制安装在z轴安装座10-3-1背部的z轴步进电机10-3-4进行工作，带动与之相连的z轴联轴器10-3-5转动，z轴联轴器10-3-5带动z轴同步带10-3-6平行转动，z轴同步带10-3-6带动z轴滚珠丝杠螺母10-3-8上下移动，从而与之相连的第一微型直线滑台10-3-2、第二微型直线滑台10-3-3实现上下滑动，最终实现安装在第一微型直线滑台10-3-2、第二微型直线滑台10-3-3上的钣金固定件钣金固定件10-3-9、发射头安装座发射头安装座10-3-10的z轴方向移动。
利用实施例1所述的装置，制备模拟光伏组件缺陷的等效试件的方法，按以下步骤进行：
第一步：按照欧姆分流和/或弱二极管效应缺陷设计要求，通过计算机绘制缺陷加工位置图；在单晶太阳能电池片11上，第一行与第二行各设四个弱二极管效应缺陷加工位置点，第三行与第四行各设四个欧姆缺陷加工位置点；单晶/多晶太阳能电池片11为在封装前所检测完毕的无自然分流健康片，其厚度为0.5mm，下面覆盖一层厚度为0.1mm的铝金属层11-3作为背电极；
第二步：将单晶太阳能电池片11放在加工平台8-1上固定；
第二步：在计算机中设置好以加工平面板8-1-2的凹陷平面8-1-2-1的左下角为坐标原点，将单晶太阳能电池片11安放在凹陷平面8-1-2-1内，转动四个旋紧螺母8-1-4使得四个压载片8-1-3移动到合适的压紧位置，旋紧四个旋紧螺母8-1-4，完成单晶太阳能电池片11的固定；
第三步：从载物架9上取下飞秒激光发射头6，贴合在发射头固定端8-2-1内侧，转动旋转手柄8-2-3，带动发射头移动端8-2-2缓慢夹紧飞秒激光发射头6，从而将飞秒激光发射头6固定在发射头夹持装置8-2上，飞秒激光发射头6与单多晶太阳能电池片11表面的距离为10mm；
第四步：控制计算机发出位置指令，使得x轴步进电机10-1-8、y轴步进电机10-2-7、和z轴步进电机10-3-4将飞秒激光发射头6移动到第一个弱二极管效应缺陷位置指定点；
启动飞秒激光发生器2发射飞秒激光，通过飞秒激光光纤4将传导的飞秒激光通过飞秒激光发射头6作用在单晶太阳能电池片11上，在飞秒激光工作频率为450kHz的条件下烧灼10s，得到第一个弱二极管效应缺陷点11-1；
依次通过计算机发出位置指令，控制x轴步进电机10-1-8、y轴步进电机10-2-7、和z轴步进电机10-3-4将飞秒激光发射头6依次移动到剩余7个弱二极管效应缺陷位置指定点；依次启动飞秒激光发生器2，对剩余7个弱二极管效应缺陷位置指定点，在飞秒激光工作频率为450～500kHz的条件下进行烧蚀10～15s，制备出剩余7个弱二极管效应缺陷11-1；关闭飞秒激光发生器2，取下飞秒激光发射头6，置于载物架9上；
第五步，从载物架9上取下聚焦离子束发射头7，贴合在发射头固定端8-2-1内侧，转动旋转手柄8-2-3，带动发射头移动端8-2-2缓慢夹紧聚焦离子束发射头7，从而将聚焦离子束发射头7固定在发射头夹持装置8-2上，聚焦离子束发射头7与单多晶太阳能电池片11表面的距离为10mm；
第六步，控制计算机发出位置指令，使得x轴步进电机10-1-8、y轴步进电机10-2-7、和z轴步进电机10-3-4将聚焦离子束发射头7移动到第一个欧姆分流缺陷位置指定点；
启动聚焦离子束发生器3发射聚焦离子束，通过聚焦离子束传导线5将传导的聚焦离子束通过聚焦离子束发射头7作用于单晶太阳能电池片11上，在聚焦离子束发生器3的电流为160mA的条件下烧灼8s，得到第一个欧姆分流缺陷11-2；
依次通过计算机发出位置指令，x轴步进电机10-1-8、y轴步进电机10-2-7、和z轴步进电机10-3-4将聚焦离子束发射头7移动到第一个欧姆分流缺陷位置指定点9-2依次移动到剩余7个欧姆分流缺陷位置指定点；依次启动聚焦离子束发生器3，对剩余7个欧姆分流缺陷位置指定点，在聚焦离子束发生器3的电流为160～230mA的条件下烧灼8～15s，制备出剩余7个欧姆分流缺陷点11-2；关闭聚焦离子束发生器3，取下聚焦离子束发射头7，置于载物架9上。
本实施例中，通过飞秒激光和聚焦离子束所诱发的弱二极管效应缺陷11-1和欧姆分流缺陷11-2各有8个，这是为了探究电池上不同位置的缺陷对单/多晶太阳能电池片11性能产生何种不同的影响，以便于更好地理解太阳能电池的光物理过程。
本实施例通过聚焦离子束和飞秒激光所烧蚀的欧姆分流缺陷和弱二极管效应缺陷，都会使得硅片熔融，从而使得太阳能电池片的前电极与背电极相连通，在施加外部电压情况下，使得电连通前电极与背电极，此时，电流会在缺陷区域汇集生热，所产生的热辐射可以被高精度红外热像仪获取，进而对缺陷位置进行精确定位。
本实施例模拟欧姆分流和弱二极管效应的光伏组件单元等效试件，在暗锁相热成像检测DLIT技术下测得的表面热图如图9所示。从图9中可以看出，相对于正常产生的、位置随机的欧姆分流和弱二极管效应缺陷太阳能电池片，本技术检测出了所制备的所有缺陷数量，并且其检测效果非常理想，对太阳能电池片的实验性研究起到很好的作用。
本实施例在单晶太阳能电池片11上制备出二行8个弱二极管效应缺陷，弱二极管效应缺陷的直径为18～20μm；通过DLIT技术来确定诱发缺陷的类型。在正向偏置下，可以在红外图像中看到每个缺陷均显示出一个热点，随着电压的增加，缺陷上的DLIT信号呈指数增加。在反向偏置下，可以看到DLIT信号非常微小的增加，这表明并联电阻仅略微减小，缺陷类型确实为弱二极管效应。
本实施例在单晶太阳能电池片11上制备出二行8个欧姆分流缺陷，欧姆分流缺陷直径为1～3μm；通过DLIT技术可以很容易地在红外热图上看到8个缺陷热点，通过DLIT技术进行测量，红外信号表现为：施加正向偏压或反向偏压，其缺陷红外信号均显著增高。在电性能上表现为：局部并联电阻降低，局部短路电流增大，开路电压降低。可判断该缺陷确实是欧姆分流缺陷。
本实施例中，欧姆缺陷的直径大小可以通过调整聚焦离子束的电流大小进行变化，同时弱二极管效应缺陷可以通过改变飞秒激光的功率进行调整，以此可以研究不同的缺陷规格对太阳能电池电性能所造成的影响程度大小。也可以通过选择所制备的缺陷类型，改变缺陷的直径和制备缺陷的数量，来检测太阳能电池板的性能损失。从而利用等效试件，系统地研究缺陷与太阳能电池板的性能损失之间的关系。
Claims (10)
1.一种制备模拟光伏组件缺陷等效试件的装置，其特征在于该装置包括载物台(1)、飞秒激光发生器(2)、聚焦离子束发生器(3)、飞秒激光光纤(4)、聚焦离子束传导线(5)、飞秒激光发射头(6)、聚焦离子束发射头(7)、缺陷加工机构(8)、载物架(9)；
其中所述飞秒激光发生器(2)用于产生飞秒激光，飞秒激光光纤(4)用于传导飞秒激光，飞秒激光发生器(2)经飞秒激光光纤(4)与飞秒激光发射头(6)连接；
所述聚焦离子束发生器(3)用于产生离子束，聚焦离子束传导线(5)用于传导聚焦离子束，聚焦离子束发生器(3)经聚焦离子束传导线(5)与聚焦离子束发射头(7)连接；
缺陷加工机构(8)上包括加工平台(8-1)和发射头夹持装置(8-2)；加工平台(8-1)用于缺陷制备时放置单/多晶太阳能电池片；飞秒激光发射头(6)或聚焦离子束发射头(7)工作时夹持在发射头夹持装置(8-2)上；载物架(9)用于安放非工作状态的飞秒激光发射头(6)和聚焦离子束发射头(7)；
飞秒激光发生器(2)、聚焦离子束发生器(3)、缺陷加工机构(8)和载物架(9)设置在载物台(1)上。
2.根据权利要求1所述的一种制备模拟光伏组件缺陷等效试件的装置，其特征在于加工平台(8-1)由基座(8-1-1)、加工平面板(8-1-2)、至少两个压载片(8-1-3)、至少两个旋紧螺母(8-1-4)和至少两个绝缘橡胶底片(8-1-5)组成；
基座(8-1-1)由四块基座板拼装固定而成，其中左右两侧开横槽(8-1-1-1)，前后两侧各开两个定位孔(8-1-1-2)；
加工平面板(8-1-2)固定在基座(8-1-1)上表面，加工平面板(8-1-2)的上表面设置有凹陷平面(8-1-2-1)，用于定位太阳能电池片并计算坐标；在加工平面板(8-1-2)上还设置有长槽(8-1-2-2)；
压载片(8-1-3)的截面为L型，一端通过旋紧螺母(8-1-4)安装在长槽(8-1-2-2)内，另一端的端面上贴有绝缘橡胶底片(8-1-5)。
3.根据权利要求1或2所述的一种制备模拟光伏组件缺陷等效试件的装置，其特征在于加工平面板(8-1-2)为绝缘硬质材料。
4.根据权利要求1或2所述的一种制备模拟光伏组件缺陷等效试件的装置，其特征在于凹陷平面(8-1-2-1)的凹陷深度为1～5mm。
5.根据权利要求1或2所述的一种制备模拟光伏组件缺陷等效试件的装置，其特征在于发射头夹持装置(8-2)固定在三维移动装置(10)上。
6.根据权利要求5所述的一种制备模拟光伏组件缺陷等效试件的装置，其特征在于三维移动装置(10)由x轴移动系统(10-1)、y轴移动系统(10-2)、z轴移动系统(10-3)组成；
其中x轴移动系统(10-1)包括x轴同步带连接板(10-1-1)、x轴同步带紧定片(10-1-2)、第一光轴(10-1-3)、第二光轴(10-1-4)、第一直线轴承(10-1-5)、第二直线轴承(10-1-6)、x轴步进电机支座(10-1-7)、x轴步进电机(10-1-8)、x轴同步带(10-1-9)；
第一光轴(10-1-3)和第二光轴(10-1-4)分别通过基座(8-1-1)前后两侧的定位孔(8-1-1-2)固定在基座(8-1-1)内；第一直线轴承(10-1-5)穿过第一光轴(10-1-3)固定在x轴同步带连接板(10-1-1)上；第二直线轴承(10-1-6)穿过第二光轴(10-1-4)也固定在x轴同步带连接板(10-1-1)上；第一直线轴承(10-1-5)、第二直线轴承(10-1-6)安装在x轴同步带连接板(10-1-1)内侧，x轴同步带连接板(10-1-1)穿过基座(8-1-1)左右两侧的横槽(8-1-1-1)，与x轴同步带紧定片(10-1-2)上下夹紧x轴同步带(10-1-9)进行固定；x轴步进电机(10-1-8)通过x轴步进电机支座(10-1-7)固定在基座(8-1-1)前侧内壁上，用于驱动x轴同步带(10-1-9)进行半程转动，x轴同步带(10-1-9)带动x轴同步带连接板(10-1-1)进行x轴方向移动；
y轴移动系统(10-2)包括第一z轴立高板(10-2-1)、第二z轴立高板(10-2-2)、y轴顶板(10-2-3)、第三光轴(10-2-4)、第三直线轴承(10-2-5)、y轴步进电机支座(10-2-6)、y轴步进电机(10-2-7)、y轴联轴器(10-2-8)、y轴滚珠丝杠(10-2-9)、y轴滚珠丝杠螺母(10-2-10)、连接板(10-2-11)；
z轴移动系统(10-3)包括z轴安装座(10-3-1)、第一微型直线滑台(10-3-2)、第二微型直线滑台(10-3-3)、z轴步进电机(10-3-4)、z轴联轴器(10-3-5)、z轴同步带(10-3-6)、z轴滚珠丝杆(10-3-7)、z轴滚珠丝杠螺母10-3-8、钣金固定件10-3-9、发射头安装座(10-3-10)、内六角螺钉(10-3-11)；
第一z轴立高板(10-2-1)、第二z轴立高板(10-2-2)焊接在x轴同步带连接板(10-1-1)的左右两侧的外侧，第一z轴立高板(10-2-1)上方开一个定位孔，第二z轴立高板(10-2-2)上方开两个定位孔，y轴顶板(10-2-3)固定在第一z轴立高板(10-2-1)、第二z轴立高板(10-2-2)的顶端；第三光轴(10-2-4)通过第一z轴立高板(10-2-1)、第二z轴立高板(10-2-2)的定位孔安装在第一z轴立高板(10-2-1)、第二z轴立高板(10-2-2)上方内侧，第三直线轴承(10-2-5)穿过第三光轴(10-2-4)通过连接板(10-2-11)与z轴安装座(10-3-1)固定在一起；y轴滚珠丝杠螺母(10-2-10)与连接板(10-2-11)固定在一起，进而使得第三直线轴承(10-2-5)、连接板(10-2-11)、y轴滚珠丝杠螺母(10-2-10)与z轴安装座(10-3-1)成为一体；y轴步进电机(10-2-7)通过y轴步进电机支座(10-2-6)固定在第一z轴立高板(10-2-1)上方内侧，y轴步进电机(10-2-7)连接y轴联轴器(10-2-8)，y轴联轴器(10-2-8)链接y轴滚珠丝杠(10-2-9)，y轴滚珠丝杠(10-2-9)的另一端安装在第二z轴立高板(10-2-2)的定位孔内，y轴滚珠丝杠(10-2-9)的转动带动z轴安装座(10-3-1)进行y轴方向移动；
第一微型直线滑台(10-3-2)、第二微型直线滑台(10-3-3)安装在z轴安装座(10-3-1)上，与背后的z轴滚珠丝杠螺母10-3-8实现连接，钣金固定件10-3-9固定在第一微型直线滑台(10-3-2)、第二微型直线滑台(10-3-3)上，发射头安装座(10-3-1)0通过若干内六角螺钉(10-3-11)安装在钣金固定件10-3-9上；z轴步进电机(10-3-4)、z轴联轴器(10-3-5)、z轴同步带(10-3-6)、z轴滚珠丝杆46、z轴滚珠丝杠螺母10-3-8安装在z轴安装座(10-3-1)背后，z轴步进电机(10-3-4)通过z轴联轴器(10-3-5)带动z轴同步带(10-3-6)转动，进而控制z轴滚珠丝杠螺母10-3-8进行z轴方向移动，控制通过z轴滚珠丝杠螺母10-3-8连接的第一微型直线滑台(10-3-2)、第二微型直线滑台(10-3-3)进行z轴方向移动，最终带动发射头安装座(10-3-10)进行z轴方向移动。
7.根据权利要求1或2所述的一种制备模拟光伏组件缺陷等效试件的装置，其特征在于发射头夹持装置(8-2)由发射头固定端(8-2-1)、发射头移动端(8-2-2)和旋转手柄(8-2-3)组成，发射头固定端(8-2-1)安装在发射头安装座(10-3-10)左侧，发射头移动端(8-2-2)安装在发射头安装座(10-3-10)右侧并与旋转手柄(8-2-3)连接，通过转动旋转手柄(8-2-3)来控制发射头移动端(8-2-2)的左右移动，实现控制发射头移动端(8-2-2)夹紧飞秒激光发射头(6)或聚焦离子束发射头(7)。
8.利用权利要求1所述的装置制备模拟光伏组件缺陷的等效试件的方法，其特征在于该方法按以下步骤进行：
第一步：按照欧姆分流和/或弱二极管效应缺陷设计要求，通过计算机绘制缺陷加工位置图；
第二步：将单晶/多晶太阳能电池片11放在加工平台(8-1)上固定；
第三步：从载物架(9)上取下飞秒激光发射头(6)或聚焦离子束发射头(7)，固定在发射头夹持装置(8-2)上；
第四步：启动飞秒激光发生器(2)发射飞秒激光，通过飞秒激光光纤(4)将传导的飞秒激光通过飞秒激光发射头(6)作用在单/多晶太阳能电池片上，烧灼，得到具有弱二极管效应缺陷的等效试件；关闭飞秒激光发生器(2)，取下飞秒激光发射头(6)，置于载物架(9)上；
或者，启动聚焦离子束发生器(3)发射聚焦离子束，通过聚焦离子束传导线(5)将传导的聚焦离子束通过聚焦离子束发射头(7)作用于单/多晶太阳能电池片上，烧灼，得到具有局部欧姆分流缺陷的等效试件；关闭聚焦离子束发生器(3)，取下聚焦离子束发射头(7)，置于载物架(9)上。
9.根据权利要求8所述的制备模拟光伏组件缺陷的等效试件的方法，其特征在于飞秒激光发射头(6)或聚焦离子束发射头(7)与单晶/多晶太阳能电池片表面的距离为5～15mm。
10.根据权利要求8或9所述的制备模拟光伏组件缺陷的等效试件的方法，其特征在于飞秒激光发射器2发射的飞秒激光工作频率为450～500kHz，烧灼时间为10～15s；聚焦离子束发生器(3)发射的聚焦离子束电流为160～230mA，烧灼时间为8～15s。
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