ES2610479T3

ES2610479T3 - Procedimiento para medir y evaluar pérdidas de potencia en células solares, módulos solares e instalaciones solares mediante mediciones fotográficas por termografía y luminiscencia

Info

Publication number: ES2610479T3
Application number: ES15165347.4T
Authority: ES
Inventors: Andreas Dr. Gerber; Uwe Prof. Dr. Rau; Max Dipl.-Ing. Siegloch; Liviu Dipl.-Ing. Stoicescu
Original assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Current assignee: Forschungszentrum Juelich GmbH
Priority date: 2014-05-06
Filing date: 2015-04-28
Publication date: 2017-04-27
Anticipated expiration: 2035-04-28
Also published as: EP2942634A1; DE102014208462A1; DE102014208462B4; EP2942634B1

Abstract

Procedimiento para un control de la calidad de una célula solar con las siguientes etapas: - en una célula solar se aplica una primera tensión (V1) menor o igual a cero y se fotografía la luz emitida de la célula solar, para obtener así una primera imagen; - en la célula solar se aplica una segunda tensión (V2) mayor de cero y se fotografía la luz emitida de la célula solar, para obtener así una segunda imagen; - en la célula solar se aplica una tercera tensión (V3) mayor de cero y menor que la segunda tensión y se fotografía la luz emitida de la célula solar, para obtener así una tercera imagen; - en la célula solar se aplica una cuarta tensión (V4) mayor que la segunda y/o tercera tensión y se fotografía la luz emitida de la célula solar, para obtener así una cuarta imagen; - se calcula una primera diferencia (D1) entre los valores de píxel de las fotografías a la primera y segunda tensión; y - se calcula una segunda diferencia (D2) entre las imágenes correspondientes a la tercera y cuarta tensión; y - se calcula el cociente entre la primera y la segunda diferencia.

Description

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DESCRIPCION

Procedimiento para medir y evaluar perdidas de potencia en celulas solares, modulos solares e instalaciones solares mediante mediciones fotograficas por termografla y luminiscencia.

La presente invencion se refiere a un procedimiento para una evaluacion de la calidad de celulas solares o modulos solares.

Por el estado de la tecnica se sabe como realizar mediciones por termografla y luminiscencia para el control de calidad de celulas solares o modulos solares. Los procedimientos de formacion de imagenes por termografla y luminiscencia son metodos normales de caracterizacion de celulas y modulos solares. Sin embargo, el procesamiento cuantitativo de las imagenes en el sentido de una evaluacion de la potencia y de errores es un problema pendiente de resolver. Los procedimientos propuestos hasta la fecha son o bien meramente cualitativos o bien contradictorios o no concluyentes.

El documento WO2013/085385A describe un procedimiento para un control de una celula solar.

En el procedimiento termografico se le aplica a una celula solar o a un modulo solar una tension y/o se irradia con luz, para generar un flujo de corriente. Durante la aplicacion de la tension o la irradiacion con luz se fotografla una superficie de la celula solar o del modulo con una camara de infrarrojos. El resultado es una imagen que muestra que zonas de la superficie se han calentado. Las zonas calentadas indican disipacion de potencia, es decir perdidas de potencia, ya que no se busca la generacion de calor. Por tanto, una imagen termografica permite hacer una afirmacion sobre la calidad de una celula solar, aunque su valor informativo no es muy alto. Un procedimiento conocido flock-in thermography, termografla lock-in o activa) mide diferencias de disipacion de potencia mientras que o bien se varla periodicamente la tension aplicada entre dos valores o bien se varla periodicamente la potencia luminosa irradiada.

En el procedimiento por luminiscencia se aprovecha el hecho de que una aplicacion de una tension en una celula solar y/o una irradiacion con luz tiene como consecuencia una emision de luz. La emision de luz se capta con una camara apta para luminiscencia. A partir de la imagen puede concluirse entonces el funcionamiento de zonas individuales de la celula solar. No obstante el valor informativo vuelve a ser insuficiente, ya que directamente solo es posible una afirmacion cualitativa acerca de la capacidad de funcionamiento de la celula solar.

Con la presente solicitud se persigue el objetivo de mejorar el control de calidad en celulas solares por medio de termografla o formacion de imagenes por luminiscencia.

Para solucionar el objetivo, un procedimiento para un control de la calidad de una celula solar por medio de luminiscencia comprende las siguientes etapas:

- en una celula solar se aplica una primera tension Vi menor o igual a cero y se fotografla la luz emitida de la celula solar, para obtener as! una primera imagen;

- en la celula solar se aplica una segunda tension V2, a continuacion tambien denominada tension en el punto de funcionamiento, mayor de cero y se fotografla la luz emitida de la celula solar, para obtener as! una segunda imagen;

- en la celula solar se aplica una tercera tension V3 mayor de cero y menor que la segunda tension y se fotografla la luz emitida de la celula solar, para obtener as! una tercera imagen;

- en la celula solar se aplica una cuarta tension V4 mayor que la segunda tension y se fotografla la luz emitida de la celula solar, para obtener as! una cuarta imagen;

- se calcula una primera diferencia D1 entre los valores de pixel de las fotografias con la primera y la segunda tension, es decir se sustraen los valores digitales de la primera imagen de los valores digitales de la segunda imagen;

- se calcula una segunda diferencia D2 entre las imagenes correspondientes a la tercera y la cuarta tension, es decir se sustraen los valores digitales de la cuarta imagen de los valores digitales de la tercera imagen;

- se calcula el cociente entre la primera y la segunda diferencia.

El cociente asi determinado es una medida de la calidad de la celula solar. A cada pixel se le puede asociar un valor que se obtiene como resultado a partir del calculo del cociente. Este valor representa una medida de como de bien contribuye la zona puntual correspondiente sobre la superficie de la celula solar a la generacion de corriente.

Como se describio al principio, de acuerdo con el procedimiento se realizan por tanto captaciones de luminiscencia, aunque, a diferencia del estado de la tecnica, con diferentes tensiones. Mediante un calculo de la diferencia y definitivo adecuado del cociente resulta posible un control de calidad.

La sensibilidad de la camara (tiempo de exposicion y apertura del diafragma) se mantiene constante, en una configuration de la invencion, para las cuatro imagenes anteriormente mencionadas, con el fin de obtener resultados especialmente buenos.

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El procedimiento reivindicado permite obtener, para cada pixel de una imagen de camara digital, una informacion de calidad. Mediante normalizacion puede asociarse, por ejemplo, en una forma de realizacion, a cada pixel por ejemplo un valor entre 0 y 1. 1 significa que se ha alcanzado la maxima calidad posible, es decir que la corriente fotoelectrica generada en la zona puntual correspondiente puede utilizarse al 100%. 0 significa que esta zona puntual sobre la superficie de la celula solar no contribuye a la generacion de corriente. Valores entre 0 y 1 significan que es posible una contribucion correspondientemente graduada, situada entre medias, a la generacion de corriente, es decir que se ha alcanzado una calidad que se situa entre la maxima calidad posible y la minima calidad posible. Sin embargo, no es obligatoriamente necesaria una normalizacion, ya que la normalizacion unicamente facilita la interpretacion de los valores determinados.

En una forma de realizacion de la invention simplificada se determina la imagen perteneciente a la segunda tension como valor promedio de la tercera y la cuarta imagen, de modo que la segunda imagen no tiene que tomarse explicitamente.

En una forma de realizacion preferida de la invencion, la diferencia entre la cuarta y la segunda tension (cuarta tension - segunda tension) es menor que la segunda tension y, en concreto, preferiblemente varias veces menor. Ademas, la diferencia entre la segunda y la tercera tension (segunda tension - tercera tension) es menor que la segunda tension y, en concreto, preferiblemente varias veces menor. Mediante esta forma de realizacion se consigue ventajosamente que la tercera y la cuarta tension se situen relativamente proximas a la segunda tension. De este modo puede determinarse de manera mejorada una medida apropiada para la evaluation de la calidad de una celula solar.

En una forma de realizacion preferida de la invencion, la diferencia entre la cuarta y la segunda tension (cuarta tension - segunda tension) asciende, en referencia a una unica celula solar, a menos de 0,1 voltios, preferiblemente a menos de 0,01 voltios. Ademas, la diferencia entre la segunda y la tercera tension (segunda tension - tercera tension) asciende a menos de 0,1 voltios, preferiblemente a menos de 0,01 voltios. Mediante esta forma de realizacion se consigue ventajosamente que la tercera y la cuarta tension se situen proximas a la segunda tension. De este modo puede determinarse de manera mejorada una medida apropiada para evaluar la calidad de una celula solar. En un modulo solar o un sistema modular, los valores de tension anteriormente se entienden como tension por cada celula solar conectada en serie.

El punto de funcionamiento, es decir la segunda tension, puede elegirse libremente. La segunda tension es preferiblemente, sin embargo, esencialmente mayor que la respectiva distancia de la tercera y la cuarta tension con respecto a la segunda tension, con el fin de poder evaluar especialmente bien la calidad de la celula solar.

La tercera y la cuarta toma se refieren por tanto a la tension proxima al punto de funcionamiento. Si la tension en el punto de funcionamiento asciende por tanto, por ejemplo, a 0,6 voltios, entonces el valor de la tercera tension asciende por tanto por ejemplo a 0,59 voltios y el valor de la cuarta tension a 0,61 voltios. los valores de tension de la tercera y cuarta tension varian por tanto ventajosamente solo un poco alrededor del punto de funcionamiento, con el fin de poder obtener como resultado una derivada local, ya que la funcion de luminiscencia no se comporta linealmente, es decir la dependencia de la luz en funcion de la corriente aplicada. Para penetrar aquf ventajosamente en una zona casi lineal, se preven preferiblemente solo pequenas variaciones de tension alrededor del punto de funcionamiento.

En una forma de realizacion preferida de la invencion, la celula solar se encuentra durante las mediciones bajo una iluminacion espacialmente homogenea y constante en el tiempo, con el fin de llegar a resultados adicionalmente mejorados.

En una configuration adicionalmente mejorada de la invencion, la segunda tension se elige de modo que para la iluminacion dada se alcance el maximo de potencia de la celula solar, con el fin de poder evaluar la calidad de la celula solar de manera practica. Las celulas solares se hacen funcionar en principio al maximo de potencia. La evaluacion de la calidad se refiere en esta configuracion al estado que suele ser determinante en funcionamiento. La informacion resultante acerca de la calidad de la celula solar es por tanto especialmente relevante en la practica.

Si el cociente se ha determinado de acuerdo con lo reivindicado, se obtendran para los pixeles con los que se efectuo una toma valores que en principio no pueden ascender a entre 0 y 1. Para facilitar la evaluacion de la calidad se efectua por tanto, en una forma de realizacion ventajosa, una normalizacion. Se realizan por tanto ventajosamente una o varias etapas de normalizacion, que tienen como consecuencia que a partir del calculo del cociente se obtienen al final valores de 0 a 1.

Para normalizar se multiplican, en una forma de realizacion, los valores del cociente por la tension termica. A continuation se divide por la diferencia de tension de la tercera y la cuarta toma. Tension termica quiere decir constante de Boltzmann por temperatura absoluta de la celula solar dividido por la carga elemental.

Si gracias a la normalizacion se obtienen valores de 0 a 1, entonces para cada pixel puede afirmarse de manera directamente reconocible con que probabilidad la corriente fotoelectrica localmente generada puede captarse

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tambien realmente. Si se determina para un pixel un valor 1, entonces la probabilidad asciende al 100 % de que la corriente aqul generada tambien pueda captarse realmente. Si se determina para un pixel un valor de 0,5, entonces la probabilidad asciende al 50 % de que la corriente aqul generada tambien pueda captarse realmente. Si por ejemplo se determina para un pixel un valor de 0,25, entonces la probabilidad asciende al 25 % de que la corriente aqul generada tambien pueda captarse realmente.

En una configuracion ventajosa de la invencion se saca el promedio de los valores que se obtienen como resultado a partir del calculo del cociente para todos los plxeles. El resultado de este promediado representa entonces una medida de la calidad de una celula solar que ha de evaluarse. Cuando mayor sea el valor resultante, mejor sera la calidad de la celula solar.

En una configuracion ventajosa del procedimiento de acuerdo con lo reivindicado se registra una curva caracterfstica de tension, para determinar asf el punto de potencia maximo de una celula solar que ha de evaluarse. La celula solar se ilumina con luz constante y en la celula solar se aplica una tension variable y se determina la corriente perteneciente a cada tension y asf se determina una curva caracterfstica de corriente-tension. Mediante estas curvas caracterfsticas se determina el punto maximo de extraccion de potencia. Si se determina asf, por ejemplo, que asciende a 0,55 voltios el punto de maxima extraccion de potencia, entonces la tension en el punto de funcionamiento asciende ventajosamente a 0,55 voltios. La tension en el punto de funcionamiento tambien puede ascender sin embargo a menos o mas de 0,55 V, con el fin de poder llevar a cabo el procedimiento con exito. En un modulo solar o un sistema modular, los valores de tension anteriores se entienden como tension por cada celula conectada en serie.

En una configuracion, la medicion de luminiscencia se realiza por medio de un sistema de camaras apropiado bajo la condicion de que (1) la celula solar, el modulo solar o la instalacion solar se encuentra bajo una excitacion luminosa externa, artificial o natural, (2) la tension aplicada en la celula, en el modulo o en la instalacion en una primera medicion de un valor menor o igual a cero se modula al valor de una positiven tension discrecional V2 y se genera una imagen mediante calculo de la diferencia o mediante tecnologfa lock-in, (3) en una segunda medicion la tension se varfa simetricamente, con una diferencia del 20 % o menos, en la tension V2 y se genera una imagen mediante calculo de la diferencia o mediante tecnologfa lock-in. (4) El modo de proceder descrito se realiza preferiblemente bajo la condicion de que la tension V2 es la tension Vmpp del punto de maxima extraccion de potencia.

En una configuracion se evalua por medio de un procedimiento termografico la calidad de la celula solar. El procedimiento se lleva a cabo entonces alrededor del punto de maxima extraccion de potencia del modulo solar o de la celula solar iluminado de manera homogenea, puesto que en el punto de maxima extraccion de potencia por definicion la primera derivada de la potencia extrafda segun la tension aplicada desde fuera es cero. Por tanto, sin embargo, tambien la primera derivada de la potencia disipada segun la tension aplicada desde fuera es 0. En una celula solar que funcione perfectamente estarfan en el punto de maxima extraccion de potencia, sin embargo, todos los puntos a la misma tension en el punto de maxima extraccion de potencia o minima disipacion, de modo que la primera derivada de la disipacion con respecto a la tension externa es cero en todos los puntos. Sin embargo este nunca es el caso en la practica. Se obtienen como resultado por tanto en el punto de maxima extraccion de potencia en la practica tanto valores positivos como valores negativos para la primera derivada de la disipacion local con respecto a la tension externa. Esto se aprovecha para comprobar la calidad. De acuerdo con el procedimiento se determina por tanto la primera derivada para cada pixel en el punto de maxima extraccion de potencia.

Para la realizacion se toman, como en el caso de la medicion por luminiscencia, cuatro imagenes con las tensiones aplicadas V1 a V4, siendo la tension V1 igual a cero (no hay extraccion de potencia), correspondiendo la tension V2 al punto de maxima extraccion de potencia, siendo la tension V3 mayor de cero pero menor que V2 y siendo las tensiones V4 mayores que la tension V2. En primer lugar se sustrae por pfxeles la imagen perteneciente a la tension V1 de la imagen correspondiente a V2, con el fin de obtener una primera imagen diferencial D1. El valor promedio M de todos los pfxeles de esta imagen diferencial es entonces proporcional a la extraccion de potencia maxima promedio. Despues se sustrae por pfxeles la imagen de V3 de la imagen de V4, con el fin de obtener una segunda imagen diferencial D2. Si las tensiones de V3 y V4 estan aplicadas, tal como se ha descrito, alrededor del punto de maxima extraccion de potencia, esta segunda imagen diferencial consta de valores positivos y negativos. Si estos valores positivos y negativos se dividen por el valor promedio anteriormente determinado, cada valor de pixel corresponde a la desviacion porcentual de la disipacion de potencia local con respecto al valor promedio. La representation obtenida de esta manera representa por tanto cuantitativamente la ausencia de homogeneidad de la disipacion de potencia. Si por ejemplo la imagen diferencial D1 tiene un valor promedio de 2000 y un punto de imagen en la imagen diferencial D2 tiene un valor de 200, entonces la disipacion diferencial (consumo de potencia) corresponde en ese punto a un 10 % de la extraccion de potencia maxima promedio. En caso de valores negativos en la imagen diferencial D2, el punto correspondiente todavfa no ha alcanzado su propio punto de maxima potencia. Un valor de por ejemplo -200 corresponde entonces a un aumento de la extraccion de potencia (reduction de la disipacion, es decir generation de potencia) de alrededor del 10 % de la extraccion de potencia maxima promedio.

Preferiblemente, para llevar a cabo el procedimiento termografico se aplica una tecnologfa lock-in, con el fin de minimizar problemas atribuibles a ruido. En esta configuracion se varfa la tension aplicada periodicamente entre dos valores de tension y el calculo de la diferencia se realiza mediante una tecnologfa lock-in, aunque no solo una vez,

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sino multiples veces, como ejemplo 100 o 1000 veces. En una tecnologla lock-in para la termografla ha de tenerse en cuenta que las variaciones de temperatura aparecen en el modulo con un cierto retardo temporal con respecto a la tension aplicada. Este efecto se tiene en cuenta en la tecnologla lock-in calculando para cada pixel tanto una amplitud (proporcional a la temperatura que aparece como maximo durante la modulacion) como un angulo de fase (rige para el retardo temporal de la senal de temperatura con respecto a la senal de excitacion). Para obtener la senal de temperatura, que es proporcional a la potencia local, se corrige la imagen que aparece segun el procedimiento conocido en cuanto al desplazamiento de fase. Las imagenes diferenciales as! obtenidas D1 (variacion de la tension entre V1 y V2) y D2 (variacion de la tension entre V3 y V4) son entonces resultado inmediato de la tecnologla lock-in. El modo de proceder subsiguiente de la evaluation de imagen se mantiene tal como se ha descrito.

La tecnologia lock-in para el calculo de la diferencia se aplica preferiblemente tambien en el procedimiento por luminiscencia, ya que tambien aqui se suprime ruido mediante la tecnologia lock-in y se aumenta la precision. Ademas aparecen tambien aqui inmediatamente las imagenes diferenciales D1 y D2. A diferencia de la termografla, en la luminiscencia no se esperan desplazamientos de fase por la tecnologla lock-in.

En una forma de realization preferida, la medicion por termografla se realiza por medio de un sistema de camaras apropiado bajo la condition de que la celula solar, el modulo solar o la instalacion solar se encuentre cerca de o en su punto de maxima extraction de potencia bajo una excitacion luminosa externa artificial o natural. Se toman en cada caso una imagen a una tension V3, que preferiblemente se ha reducido en un 20 % o menos con respecto a la tension (Vmpp) del punto de maxima potencia, y una imagen a una tension V4, que preferiblemente se ha aumentado en un 20 % o menos con respecto a la tension del punto de maxima potencia. Ambas imagenes se generan a su vez de nuevo mediante tecnologla lock-in bajo modulacion periodica de la tension aplicada entre cero y la tension del respectivo punto de funcionamiento. Mediante calculo de la diferencia a partir de ambas imagenes se genera una nueva imagen correspondiente a D2. El valor promedio M, que se determino en la realizacion anterior como valor promedio de la imagen diferencial D1, puede determinarse en esta realizacion como valor promedio comun de ambas imagenes (a V3 y V4).

Los procedimientos propuestos permiten una interpretation concluyente y cuantitativa de los resultados. En el caso de las imagenes termograficas se obtiene directamente una medicion con resolution espacial del consumo de potencia o de la generation de potencia local. En el caso de la luminiscencia se obtiene una medicion con resolucion espacial de la contribution local a la maxima potencia del modulo solar o de la celula solar. Es decir, ambos procedimientos proporcionan una representation intuitiva y cuantitativa de la calidad del modulo solar o de la celula solar.

Los procedimientos se aplican preferiblemente para:

(1) Control de calidad de celulas solares y modulos solares, en especial procedimientos automatizados relacionados con la production bajo iluminacion artificial.

(2) Analisis de errores de modulos solares antes de su instalacion bajo iluminacion artificial o natural, en especial en busca de danos en el transporte.

(3) Analisis de errores de instalaciones fotovoltaicas completas tras la instalacion y tras mucho tiempo en uso bajo iluminacion natural, en especial ensuciamiento, deterioro o danos en modulos individuales.

A continuation se explican los fundamentos matematicos.

Termografla

La potencia disipada Pd en un modulo solar se obtiene a partir de la diferencia de la potencia irradiada Pin y de la potencia extrafda Pex. En el punto de maxima extraccion de potencia se obtiene por tanto un minimo de potencia disipada, es decir pequenas variaciones AVext de la tension externa Vext no conducen a ninguna variacion de la potencia disipada.

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Debido al mantenimiento de potencia es valido para la densidad de potencia localmente disipada pd integrada por toda la superficie A de la celula, del modulo, de la instalacion, que

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Una medicion modulada de la disipacion diferencial dpd/dVext realizada en el punto de maxima extraccion de potencia conduce por consiguiente a una imagen que o bien es cero de manera global o bien consta a partes iguales de partes negativas y positivas. El mismo resultado aparece mediante calculo de la diferencia entre una imagen, que se tomo a una tension por encima de la tension de maxima extraccion de potencia y una imagen que se tomo a una tension por debajo de la misma.

La figura 1 muestra una potencia extrafda Pex como funcion de la tension del modulo V. digamos que la curva A es la curva caracterfstica de potencia / tension promedio del modulo y las curvas B y C son la extraccion de potencia local en un punto B o C. La diferencia P4-P3 de la extraccion de potencia global (curva A) a las tensiones V4 y V3 es (practicamente) cero. Las diferencias Apex,B y Apex,c de las potencias extrafdas localmente son o bien positivas (curva B) o bien negativas (curva C). El signo de las potencias diferenciales disipadas localmente APdiss,A/B es el inverso con respecto al de las potencias diferenciales extraldas APex,A/B. Los puntos cuya extraccion de potencia local es positiva (negativa), tienen en la termografla una disipacion diferencial con signo negativo (positivo).

Modo de proceder:

En primer lugar se calcula a partir de la curva caracterfstica corriente-tension del elemento constructivo la curva caracterfstica de potencia (figura 1). A partir de la curva caracterfstica de potencia (curva A) se determinan despues la tension V2 = Vmpp de maxima extraccion de potencia y dos puntos de tension V3 y V4 a la izquierda o a la derecha de V2, de modo que la diferencia P2-P1 de la extraccion de potencia global es (practicamente) cero. Entonces se varla la tension periodicamente entre V3 y V4 y se mide la extraccion de potencia diferencial directamente mediante termografla activa (lock-in). Una segunda posibilidad consiste en que generar una imagen termografica 1 mediante modulacion periodica de la tension aplicada entre 0 y V3 y una imagen 2 mediante modulation periodica de la tension aplicada entre 0 y V4 y a continuation determinar la diferencia entre la imagen 2 y la imagen 1.

Las senales termograficas detectadas son proporcionales a la temperatura local de la celula, del modulo o de la instalacion. Debido a la inercia termica, la temperatura esta desplazada en fase en caso de excitation periodica con respecto a la potencia disipada. Para obtener senales positivas y negativas segun la ecuacion (2), se corregira por tanto la senal detectada en este avance de fase. Tras esta correction aparece una imagen (vease la ilustracion 2) con zonas de senales negativas (para zonas en las que la celula, el modulo o la instalacion tiene un punto de funcionamiento que se encuentra, en relation al punto de funcionamiento elegido, a mayores tensiones, curva B en la ilustracion 1) y senales positivas (para zonas defectuosas con punto de funcionamiento mas bajo, curva C en la ilustracion 1). A partir de las senales locales puede generarse mediante integration del cuadrado absoluto o solo de las partes positivas de la senal (zonas defectuosas) un valor de medicion para evaluar la calidad fotovoltaica de una celula, de un modulo, de una instalacion. En el caso ideal de la extraccion de potencia homogenea, tanto la integral del cuadrado absoluto como la integral de la parte positiva de la senal serlan cero.

La figura 2 muestra una representation de (a) la position de fase de la senal original (no rotada en fase) y (b) la amplitud de la senal termografica diferencial rotada 45° de un minimodulo de silicio amorfo, medida en el punto de maxima extraccion de potencia. Las dos celulas superiores tienen predominantemente una posicion de fase de -45° (a), lo que para celulas solares de capa fina significa un signo positivo para la disipacion de potencia (b). Por tanto se consume energla. En las demas 6 celulas la fase (a) se situa predominantemente a 135°, lo que corresponde a la generation de potencia (senal negativa en b). En el centro del defecto en las celulas primer, tercera y cuarta desde arriba la senal es positiva.

A continuacion se describen los fundamentos matematicos para la luminiscencia. La emision de luminiscencia local fom de una celula solar bajo iluminacion y con una tension aplicada localmente V se describe mediante [U. Rau, IEEE J. Photovoltaics 2, 169-172 (2012)]

=fi4»exp^J+^, (3)

donde Qe designa el rendimiento cuantico local, fob la emision espectral de un cuerpo negro a la temperatura de la celula, V la tension local en cada posicion en la celula solar, Vth la tension termica y foc la emision de fotoluminiscencia de la celula en condiciones de cortocircuito. La senal detectada fotograficamente Scam se produce por tanto en

+ J M£ = s0exp(^pj+‘5,, (4)

donde Qcam designa el rendimiento cuantico (sensibilidad espectral) del sistema de camara. La senal detectada consta por tanto de una parte dependiente de la tension y de una parte no dependiente de la tension. Esta ultima se intensifica ademas por reflexiones diflcilmente evitables de la luz de excitacion. La tension local V es en este caso

S™<n = f Q^QA„dEcxp

v V.

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una funcion de la tension Vext externa aplicada en el elemento constructive. Mediante calculo de la diferencia o tecnologla lock-in obtenemos la senal de diferencia

A™(v(K,,2 )) = 5,,m(V(Kxi,2))- < 0)) * So exp

V* J

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entre los dos puntos de funcionamiento externos Vext1 y Vext2 eligiendose Vext1 de tal modo que la senal reducida en tension correspondiente senal segun la ecuacion (4) es despreciable con respecto a la senal a Vext1. Esto se consigue en la mayorla de los casos mediante Vext,i = 0 (cortocircuito). En casos extremos son necesarias sin embargo tensiones previas negativas. La ecuacion (5) elimina la contribucion independiente de la tension de la ecuacion (4).

En la segunda etapa se estudia una pequena variacion AVwein de la tension aplicada en los contactos externos en una tension de desviacion constante Vb = Vext,2. Usamos aqul en primer lugar la primera derivada (diferencial)

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Para variaciones muy pequenas pero finitas de la tension AVwein, el cociente de las diferencias se transforma en el cociente diferencial y se obtiene a partir de las ecuaciones (5) y (6) la senal de diferencia o lock-in

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El cociente de las ecuaciones (7) y (5)

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A ^cam A Vkkjll Vth

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es, finalmente, proporcional a la variacion local AV de la tension de diodo aplicada en la superficie local de la celula. Una reorganizacion de la ecuacion (8) muestra como a partir de las magnitudes medidas Alcem y Lcam as! como a partir de las magnitudes conocidas AVklein y Vth puede determinarse la relacion

AF A/,flW Vth

A^Uein A Vklejn Lcam

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La relacion AVIA.Vkien, es decir entre la variacion de tension local AV y la variacion de la tension aplicada desde fuera AVkiein puede interpretarse [J. Wong, M. A. Green, Phys. Rev. B 85, 235205 (2012)] como la eficiencia de coleccion de corriente local

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La eficiencia de coleccion de corriente f es en cualquier caso un valor entre cero (ninguna actividad fotovoltaica local, es decir una corriente fotoelectrica local adicional A/ no conduce a una corriente adicional Alkiein en los contactos) y uno (actividad fotovoltaica local perfecta, es decir una corriente fotoelectrica local adicional A/ conduce a una corriente adicional A/ken en los contactos con A/kiein = A/) y puede usarse directamente como caracterfstica de calidad local.

Una posibilidad de interpretacion adicional interesante se obtiene a partir del balance de potencia de la celula solar, del modulo o de la instalacion. La potencia extrafda Pext se calcula a partir del producto de la tension externa y de la corriente externa. Esta ultima se compone de la corriente fotoelectrica /ph y de la corriente oscura /d. Es valido que

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Una variacion pequena AVkiein de la tension externa y una variacion pequena Aiph de la corriente fotoelectrica conducen a una variacion de la potencia extrafda segun

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usando el diferencial total de Pext = Pext(Iph, Vext).

Puesto que la variacion global de la corriente fotoelectrica se obtiene a partir de la suma (o la integral) de las contribuciones locales de la corriente fotoelectricas, a una tension Vext constante para la variacion de potencia es valido que

A P

e*t\v„=konst.

= v„tuph

= v.

Ja/

phdA = VextAl\fdA

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en el caso de una generation de corriente fotoelectrica adicional A/. Asimismo desaparece en el punto de maxima extraction de potencia el termino entre parentesis en la ecuacion (12), de modo que para la variacion de la maxima potencia extrafble es valido que

Ap =V AI =V

max mpp ph mpp

phdA VmppAI

I m-

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Por tanto, la probabilidad de coleccion f tambien cuantifica la contribution local a la variacion de potencia [ecuacion (13)] en cualquier punto de tension, o la contribucion local a la variacion de la potencia maxima [ecuacion (14)], en caso de que el elemento constructivo se haga funcionar a su punto de maxima potencia. Por tanto, en estas condiciones de funcionamiento, la representation de f segun los metodos descritos tiene una relevancia directa que puede interpretarse facilmente.

Mediante una integration de f por una superficie de celula, modulo o instalacion puede determinarse entonces directamente la calidad fotovoltaica de los (sub)componentes fotovoltaicos en cuestion.

Modo de proceder:

En primer lugar se determina la curva caracterlstica de corriente-tension del elemento constructivo (vease la figura 3). Una primera medicion de luminiscencia diferencial (senal fuerte en la figura 4a) se genera mediante tomas cambiantes a una tension V0 = Vext1 <0 V y a la tension de desviacion Vb = Vext2. La imagen 1 aparece mediante el calculo de la diferencia por plxeles L = En [Si,n (Vb) - Si,n (V0)]/n, i = 1 ...numero de plxeles, n = 1...numero de periodos. Mediante este modo de proceder se suprime la luminiscencia adicional <|>sc (vease la ecuacion (1) y la figura 3). La tension de desviacion Vb puede corresponder en particular a la tension Vmpp pero tambien a otras tensiones. Una segunda medicion de luminiscencia (senal debil en la figura 4b) se genera mediante variacion de la tension aplicada entre dos puntos de tension Vext,3 = Vb - AVklein/2 y Vext,4 = Vb + AVklein/2 (vease la figura 3). La imagen 2 aparece mediante el calculo de la diferencia por plxeles A/i= En [Sin (V2) - Sin (V1)]/n. Las tomas 1 y 2 se toman con la misma sensibilidad de camara, tiempo de exposition y numero de periodos, de modo que ambas tomas son cuantitativamente comparables. La probabilidad de coleccion (ilustracion 4c) viene dada entonces por la ecuacion (10).

Un modo de proceder alternativo usa solo los puntos de tension V0, V1 y V2. La senal Si(1) se calcula entonces mediante Li = En {[Si,n (V2) + Si,n (V1)]/2 - Si(V0)}/n, la senal A/i(2) como de costumbre.

Las figuras 4 muestran una representacion de la imagen de senal fuerte (figura 4a) Lcam y (figura 4b) de la imagen de senal debil Ncam de una celula solar de silicio danada. La figura 4c muestra la diferencia de coleccion f determinada a partir de las imagenes (figura 4a) y (figura 4b) segun la ecuacion (10). Propiedades locales que corresponden al prefactor S0 en la ecuacion (5) y la ecuacion (7), como por ejemplo llneas de dislocacion o diferencias entre granos individuales, pueden verse aun en (figura 4a) y (figura 4b), mientras que la figura 4c solo representa todavla la probabilidad de coleccion. Valores proximos a uno muestran propiedades casi perfectas de la coleccion de corriente, mientras que valores gris oscuro indican una mala coleccion de potencia.

Claims

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

55

60

65

REIVINDICACIONES

1. Procedimiento para un control de la calidad de una celula solar con las siguientes etapas:

- en una celula solar se aplica una primera tension (V|) menor o igual a cero y se fotografla la luz emitida de la celula solar, para obtener as! una primera imagen;

- en la celula solar se aplica una segunda tension (V2) mayor de cero y se fotografla la luz emitida de la celula solar, para obtener asi una segunda imagen;

- en la celula solar se aplica una tercera tension (V3) mayor de cero y menor que la segunda tension y se fotografla la luz emitida de la celula solar, para obtener asl una tercera imagen;

- en la celula solar se aplica una cuarta tension (V4) mayor que la segunda y/o tercera tension y se fotografla la luz emitida de la celula solar, para obtener asl una cuarta imagen;

- se calcula una primera diferencia (D1) entre los valores de pixel de las fotografias a la primera y segunda tension; y

- se calcula una segunda diferencia (D2) entre las imagenes correspondientes a la tercera y cuarta tension; y

- se calcula el cociente entre la primera y la segunda diferencia.
2. Procedimiento segun la reivindicacion 1, en el que la diferencia entre la cuarta y la segunda tension (cuarta tension - segunda tension) es menor que la segunda tension y, en concreto, preferiblemente varias veces menor y/o en el que la diferencia entre la segunda y la tercera tension (segunda tension - tercera tension) es menor que la segunda tension y, en concreto, preferiblemente varias veces menor.
3. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que la diferencia entre la cuarta y la segunda tension (cuarta tension - segunda tension) asciende, en referencia a una unica celula solar, a menos de 0,1 voltios, preferiblemente a menos de 0,01 voltios y/o en el que la diferencia entre la segunda y la tercera tension (segunda tension - tercera tension) asciende a menos de 0,1 voltios, preferiblemente a menos de 0,01 voltios.
4. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que se realizan una o varias etapas de normalizacion, que tienen como consecuencia que a partir del calculo del cociente se obtienen valores de 0 a 1.
5. Procedimiento segun la reivindicacion anterior, en el que se multiplican valores del cociente por la tension termica y a continuacion se divide por la diferencia de tension de la tercera y cuarta toma.
6. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que se saca el promedio de los valores que se obtienen como resultado a partir del calculo del cociente para todos los pixeles.
7. Procedimiento para un control de la calidad de una celula solar con las siguientes etapas:

- en una celula solar se aplica una primera tension (V1) menor o igual a cero y se fotografla la luz emitida de la celula solar, para obtener asi una primera imagen;

- en la celula solar se aplica una segunda tension (V2,) mayor de cero y se fotografla la luz emitida de la celula solar, para obtener asl una segunda imagen;

- en la celula solar se aplica una tercera tension (V3) mayor de cero y menor que la segunda tension y se fotografla la luz emitida de la celula solar, para obtener asi una tercera imagen;

- en la celula solar se aplica una cuarta tension (V4) mayor que la segunda y/o tercera tension y se fotografla la luz emitida de la celula solar, para obtener asi una cuarta imagen;

- como segunda tension (V2) se selecciona el punto de maxima extraction de potencia,

- y se sustrae por pixeles la imagen perteneciente a la primera tension (V1) de la imagen correspondiente a la segunda tension (V2) o de una imagen que se determina como valor promedio de la tercera y cuarta imagen, para obtener una primera imagen diferencial (D1);

- se calcula el valor promedio (M) de los pixeles de esta imagen diferencial;

- se sustrae por pixeles la imagen correspondiente a la tercera tension (V3) de la imagen correspondiente a la cuarta tension (V4), para obtener una segunda imagen diferencial (D2);

- se dividen los valores de la segunda imagen diferencial por el valor promedio determinado.
8. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que la celula solar se ilumina con luz con intensidad luminosa constante.
9. Procedimiento segun una de las dos reivindicaciones anteriores, en el que se registra una curva caracteristica de tension, para determinar asi el punto de potencia maximo de una celula solar que ha de evaluarse.
10. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que la medicion de luminiscencia por medio de un sistema de camaras se realiza bajo la condition de que (1) la celula solar se encuentra bajo una excitation luminosa externa artificial o natural, (2) la tension aplicada en la celula solar en una primera medicion de un valor menor o igual a cero se modula al valor de una tension positiva discrecional Vb y se genera una imagen mediante calculo de la diferencia o mediante tecnologla lock-in, (3) en una segunda medicion la tension se varla

simetricamente, con una diferencia del 20 % o menos, en la tension (Vb) y se genera una imagen mediante calculo de la diferencia o mediante tecnologia lock-in.
11. Procedimiento segun una de las reivindicaciones anteriores, en el que se aplica una tecnologia lock-in para 5 realizar un procedimiento termografico en lugar de un procedimiento por luminiscencia.
12. Procedimiento segun la reivindicacion anterior, segun el cual el elemento constructivo se encuentra bajo iluminacion constante y homogenea, artificial o natural, y se aplica un procedimiento termografico en las condiciones de la reivindicacion 2.

10
13. Procedimiento segun la reivindicacion anterior, en el que se aplica un procedimiento termografico en las condiciones de las reivindicaciones 9 y 10.