TW201506376A - 材料老化測試設備及其測試方法 - Google Patents

Abstract

一種材料老化測試設備及其測試方法，材料老化測試設備包括一脈衝雷射光源，用以提供第一光束；一擴束組件，用以將第一光束轉換成第二光束後投射至一物件；一平台，用以承載該物件；以及一頻譜分析儀，用以量測該物件因第二光束之投射所產生之頻譜響應。

Description

材料老化測試設備及其測試方法

本揭露係有關於一種測試設備及測試方法，尤指一種材料老化測試設備及其測試方法。

太陽能是一種永不耗盡且無污染的能源，在解決目前石化能源所面臨的污染與短缺時，一直是最受矚目的焦點。其中，又以太陽能電池(solar cell)可直接將太陽能轉換為電能，而成為目前相當重要的替代能源方案之一。

一般而言，此種長時間在戶外環境使用的產品，其耐候性往往受到環境、氣候的影響。舉例來說，無論是太陽能電池本身亦或其封裝材料，其長時間在太陽光底下運作的情況下，紫外線是造成材料劣化的原因之一。

因此，為了提昇產品的使用壽命，並在短時間內獲得產品的耐候參數，通常會對產品進行加速老化測試，而當老化測試完成後，再對經過老化測試的樣品進行頻譜量測，以作為老化參數調控的依據。

然而，若以太陽模擬光源、氙燈或是紫外線燈管作為老化測試設備加速老化的測試光源時，由於受限於光源的運作模式，多是以大面積光源照射樣品，因而減弱了光源在單位面積上的照 度，此時為提高老化的速率，通常會以提高光源強度為一方式，但此舉卻容易造成樣品溫度增加，容易導致樣品受熱，進而影響樣品老化的因素。此外，上述老化光源多採大範圍面積老化，不易對樣品進行局部照射及對各個局部投射不同照度的光源。此外，上述光源皆以一定範圍的波長對樣品進行老化照射，其可能無法進一步地提供單一波長光源或隨著條件微調其波長範圍。

如前所述，完成老化測試後，再對經過老化測試的樣品進行頻譜量測，以作為老化參數調控的依據。就相關技術領域業者而言，老化測試設備與頻譜量測設備多是獨立的二種設備，且由於老化測試設備所採用之光源與頻譜量測設備所採用之光源不同，會將完成老化測試的樣品移送至頻譜量測平台進行頻譜量測。

此外，若將頻譜量測設備設置於老化測試設備內部並配合一旋轉平台，利用平台旋轉將完成老化測試之樣品送至頻譜系統相對應位置以進行樣品頻譜量測，其所能達成之功效為可縮短樣品移送過程的時間，但是老化測試與頻譜量測所採用之光源不同，因此也不易同時進行老化測試與頻譜量測，此外，可能會使設備體積極為龐大。

基於上述，如何提高老化測試效率，並能於老化測試過程中同步進行頻譜量測，是目前研究的課題之一。

本揭露提出一種材料老化測試設備，包括一脈衝雷射光源，用以提供一第一光束；一擴束組件，用以將該第一光束轉換成一第二光束後投射至一物件；一平台，用以承載該物件；以及一頻譜分析儀，用以量測該物件因該第二光束之投射所產生之頻譜響 應。

本揭露提出一種材料老化測試方法，包括由一脈衝雷射光源提供一第一光束投射至一擴束組件；該第一光束經由該擴束組件轉換成一第二光束後投射至一物件，並持續投射一段時間；以及於該第二光束投射於該物件之該段時間內，由一頻譜分析儀量測該物件因該第二光束之投射所產生之頻譜響應。

為使本揭露之結構、目的和功效有更進一步之了解，茲配合圖示詳細說明如后。

100‧‧‧材料老化測試設備

110‧‧‧基座

120‧‧‧平台

130‧‧‧脈衝雷射光源

140、140A、140B‧‧‧擴束組件

141、142‧‧‧光學元件

150‧‧‧平台

160‧‧‧溫度控制模組

170‧‧‧頻譜分析儀

171‧‧‧濾光片

200‧‧‧物件

A1、A2、A3、A4‧‧‧區塊

B1‧‧‧第一光束

B2‧‧‧第二光束

C1、C2、C3、C4‧‧‧曲線

L1、L2、L3、L4‧‧‧路徑

SP1、SP2、SP3、SP4‧‧‧光斑

圖1係本揭露一實施例之架構示意圖。

圖2係圖1的第二光束在物件上形成光斑的移動路徑示意圖。

圖3係本揭露之擴束組件一實施例之結構示意圖。

圖4係本揭露之擴束組件另一實施例之結構示意圖。

圖5係本揭露之擴束組件又一實施例之結構示意圖。

圖6係本揭露利用脈衝雷射光源作為老化測試光源與傳統老化測試光源之比較曲線圖。

圖7係本揭露物件之光子數量隨時間變化之頻譜響應圖。

圖8係將圖7積分後之頻譜響應圖。

以下將參照隨附之圖式來描述本揭露為達成目的所使用的技術手段與功效，而以下圖式所列舉之實施例僅為輔助說明，以利瞭解，但本案之技術手段並不限於所列舉圖式。

請參閱圖1所示，材料老化測試設備100係用以對一物件200進行光老化測試，藉以得知材料的耐候特性。材料老化測試設備 100包括一基座110、一平台120、一脈衝雷射光源130、一擴束組件140以及一頻譜分析儀170。基座110例如是一花崗石座，而將平台120、脈衝雷射光源130、擴束組件140與頻譜分析儀170架設其上。平台120例如是一X軸-Y軸移動平台，其用以承載並驅使物件200移動。擴束組件140位在平台120與物件200的上方。脈衝雷射光源130所發出光束經由擴束組件140而投射至平台120上的物件200。此外，材料老化測試設備100還包括設置在平台120上的一平台150與一溫度控制模組160，其中平台150是利用真空吸附的方式將物件200固定其上，而溫度控制模組160設置在平台150內且具有水冷式迴路(未繪示)，用以對平台150上的物件200提供冷卻的效果。

脈衝雷射光源130用以提供一第一光束B1至擴束組件140，並經由擴束組件140將第一光束B1轉換成一第二光束B2後方投射至物件200表面。該第一光束B1的功率可調整，且該第一光束B1的波長可調整。在此，本實施例的脈衝雷射光源130是以產生波長範圍280nm(奈米)至400nm的第一光束B1與第二光束B2，亦即以對材料劣化有明顯影響的紫外光作為光老化的照射光源。

在本實施例中，脈衝雷射光源130為短脈衝雷射，其脈衝寬度小於1μs，脈衝重覆率大於或等於10Hz，以讓雷射的平均能量能轉換成週期性且瞬時的高能量，而讓物件200所承受的照度具有周期性且瞬時的高強度老化作用，但是低累積能量的老化效果。

舉例來說，當物件200為太陽能電池模組時，以能量為100Mj(百萬焦耳)，脈衝寬度為5ns(奈秒)以及脈衝重覆率10Hz(赫茲)的脈衝雷射光源130為例，經擴束組件140而投射至物件200 上的第二光束B2，其平均功率密度能依據不同的擴束面積調整為10kw/m²(千瓦/平方公尺)至0.1kw/m²，但因脈衝雷射光源130的特性，而使物件200所承受的瞬間照度(以5ns進行換算)達20Mkw/m²~0.2Mkw/m²，依照此適中的平均功率密度作用下，將可以對太陽能電池模組進行加速光老化的作用而不致於導致模組的燒熔或再結晶(回火)作用。類似地，當物件200為高分子材料時，第二光束B2的平均功率密度為5kw/m²至0.1kw/m²，可對物件200進行加速光老化的作用而不致於導致高分子材料的破壞。

除了提供瞬時高功率密度的老化特性外，藉由雷射的脈衝特性，其異於現有持續性的照射光源，因而照射在物件200上的能量並不會因此而累積，亦即物件200的溫度並不會因持續照射而逐漸增加，故能有效地降低物件200因熱效應而影響其光老化測試。換句話說，本實施例的材料老化測試設備100，其藉由設置在平台150內的溫度控制模組160便足以達到控制物件200溫度的效果。在本實施例中，溫度控制模組160可將平台150上的物件200溫度維持在10℃至60℃，除避免熱量累積而影響其光老化外，亦能有效地避免材料發生再結晶(或退火)的現象，甚至因燒熔而損壞。

圖2是圖1的第二光束在物件上形成光斑的移動路徑示意圖。請同時參考圖1與圖2，在本實施例中，藉由平台120帶動物件200移動，而能讓使用者控制第二光束B2在物件200上的移動路徑，並進一步地依據測試條件而調整第二光束B2的移動路徑、功率與波長範圍。

舉例來說，將物件200表面區分成四個區塊A1至A4，並使 第二光束B2在區塊A1至A4中分別以不同路徑行經物件200的表面，同時讓第二光束B2的功率、波長甚或照射面積隨著路徑而改變。如此一來，在區塊A1中，第二光束B2在物件200上形成的光斑SP1便是以路徑L1進行掃描。同樣地，在區塊A2至A4亦能以類似方式而讓光斑SP2至SP4分別以路徑L2至L4進行掃描，其中所述路徑L1至L4可以分別具有不同的疏密程度。如此一來，使用者便能在同一物件200上以多種條件形成的光斑進行照射，因而能以更有效率的方式取得物件200對於光老化的耐受參數。此外，藉由可調波長的脈衝雷射光源130，亦能針對部分特定波長而對物件200產生選擇性老化的結果，使用者並能因此找出物件200的材料特徵對應特定吸收波長的相對關係。

此外，為順利達到上述效果，從脈衝雷射光源130投射出的第一光束B1可以先以擴束組件140對其進行轉換，而後以第二光束B2投射在物件200上以形成所需條件的光斑。圖3係本揭露之擴束組件一實施例之結構示意圖。請參考圖3，擴束組件140是由多個光學元件(或透鏡組)141、142所組成，以將第一光束B1的光斑面積擴大並整形成所需的輪廓，亦即使本實施例的第二光束B2的光斑面積大於第一光束B1的光斑面積。如圖2所繪示，在20cm²(平方公分)的物件200上形成面積大於1cm²的光斑SP1至SP4，而再以圖2所繪示不同路徑掃描物件200，以達到對物件200進行加速光老化的效果。此外，經由擴束之後的第二光束B2，其單位面積能量亦會因此小於第一光束B1的單位面積能量，此舉同時降低物件200所承受的能量而避免溫度過高。

在此並未限制擴束組件的組成，任何能對脈衝雷射光源130 所發出的第一光束B1予以擴束、整形者，皆可適用於本實施例。圖4是本揭露另一實施例擴束組件的示意圖，本實施例擴束組件140A為伽利略擴束鏡組(Galilean beam expander)，在結構上異於圖3所繪示者為開普勒式擴束鏡組(Keplerian beam expander)，但卻能達到類似的擴束效果。此外，圖5是本揭露另一實施例擴束組件的示意圖，擴束組件140B能同時針對雙光束分別進行擴束整形的效果。據此，使用者能針對物件的面積大小與外形，而藉由這些擴束組件以進一步設定所需的光斑輪廓及大小。

本揭露由脈衝雷射光源作為老化測試光源之效果，可參閱圖6所示，其中，曲線C1、C2、C3分別代表於相同條件下採用傳統氙燈照射三種不同材質物件時，其黃化指數隨時間變化之曲線，對於曲線C1、C2所代表的物件而言，都需要高達5,600小時，方能使黃化指數趨近10，至於曲線C3所代表的物件，甚至要超過5,600小時才有可能使黃化指數趨近於10。然而，於相同條件下，當採用脈衝雷射光源作為老化測試光源照射曲線C1所代表之材料時，僅需400小時即可達到所需的黃化指數等於10，如圖6中之曲線C4所示，證明本揭露採用脈衝雷射光源作為老化測試光源具有其可實施性並能達成其功效，本揭露老化的時程確實比傳統老化的方式有明顯加速的效果。

在此說明，圖6所示曲線C1、C2、C3為參考文獻的結果，且為相同材質但不同配方之材料。至於利用脈衝雷射光源老化(亦即本揭露)的結果為曲線C4，亦是相同材質但不同配方之材料。關於上述參考文獻，其係National Renewable Energy Laboratory(NREL)於2008年12月4-5日於中國上海所召開之”APP International PV Reliability Workshop”會議，由John Pern,Ph.D.所提出之公開文獻。

請參考圖1所示，說明本揭露之頻譜分析儀170之作用。當第二光束B2投射於物件200時，可使物件200激發螢光，頻譜分析儀170量測物件200的材料分子吸收雷射光源能量後材料分子因躍遷所產生的螢光，此螢光會因躍遷的機制不同而有不同的激發螢光波長，而物件200老化程度與激發螢光的衰減有關，請參閱圖7所示，物件在老化的同時，經由頻譜量測每一段時間，包括0小時、16小時、21小時、26小時及31小時之頻譜響應，顯示物件的頻譜響應會隨著時間增加而下降。將圖7的頻譜響應圖作積分，更可看出頻譜響應隨時間而下降的效果，如圖8所示，其中，20mJ為投射物件的能量。據此，本揭露採用頻譜分析儀170配合濾光片171，於第二光束B2投射於物件200之一段時間內，由頻譜分析儀170量測物件200因第二光束B2之投射所產生之頻譜響應。

頻譜分析儀170可與材料老化測試設備100一併啟動，也可於脈衝雷射光源130射出第一光束B1時啟動，沒有一定限制，但至少於第二光束B2開始投射於物件200，直至物件200激發螢光之頻譜響應達到最高點並隨時間下降(如圖7所示)至最低點(無頻譜響應)之間的時間，量測物件200的頻譜響應，例如，若物件是太陽能電池模組時，通常其螢光範圍約為400~800nm。而濾光片171之種類，係依所測試物件200之不同而可更換。例如，頻譜分析儀170可以採用350~1000nm之可見光量測，濾光片171可以採用可見光濾光片(如380~720nm)以濾掉380nm以下的高能量短波長激發光源，僅量測到380~720nm的螢光吸收。如果以白光 光源替代脈衝雷射光源130時，則無需使用濾光片，僅量測其反射的可見光部分即可。

請參閱圖1所示，藉由本揭露提出之材料老化測試設備，可提供一種材料老化測試方法，其包括以下步驟：由一脈衝雷射光源130提供一第一光束B1投射至一擴束組件140；第一光束B1經由擴束組件140轉換成一第二光束B2後投射至一物件200，並持續投射一段時間；以及於第二光束B2投射於物件200之一段時間內，由一頻譜分析儀170量測物件200因第二光束B2之投射所產生之頻譜響應。

在本揭露的上述實施例中，材料老化測試設備透過使用短脈衝雷射作為光源，並經由擴束組件調整其光束面積以降低其單位面積平均照度，因而能以較低累積能量但最強瞬間能量的光源照射物件，其能有效改善以燈管式或燈箱式之光老化設備所產生的問題。再者，由於脈衝雷射光源能提供物件局部區塊的光老化照射，因此搭配以移動平台而使脈衝雷射光源以不同功率、不同路徑與不同波長照射物件，而在同一物件上完成各種不同條件的光老化照射。此舉讓材料老化測試設備能以更有效率的方式找出物件的光老化參數。此外，本揭露所提供之材料老化測試係採用脈衝雷射作為光源，於物件老化的過程中，可即時同步量測物件的頻譜響應(亦即物件所激發螢光的衰減情形)，作為材料老化評估之依據。

綜上所述，本揭露採用單一光源(脈衝雷射)即可同步進行老化及頻譜檢測，不必更換光源，且由於物件係設置於可多軸移 動之平台，可用以承載並驅使物件移動，因此也無須移動物件。

惟以上所述者，僅為本揭露之實施例而已，當不能以此限定本揭露實施之範圍；故，凡依本揭露申請專利範圍及說明書內容所作之簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本揭露專利涵蓋之範圍內。

100‧‧‧材料老化測試設備

110‧‧‧基座

120‧‧‧平台

130‧‧‧脈衝雷射光源

140‧‧‧擴束組件

150‧‧‧平台

160‧‧‧溫度控制模組

170‧‧‧頻譜分析儀

171‧‧‧濾光片

200‧‧‧物件

B1‧‧‧第一光束

B2‧‧‧第二光束

Claims (18)

1. 一種材料老化測試設備，包括：一脈衝雷射光源，用以提供一第一光束；一擴束組件，用以將該第一光束轉換成一第二光束後投射至一物件；一平台，用以承載該物件；以及一頻譜分析儀，用以量測該物件因該第二光束之投射所產生之頻譜響應。
2. 如申請專利範圍第1項所述的材料老化測試設備，其中該頻譜分析儀與該物件之間設有一濾光片。
3. 如申請專利範圍第1項所述的材料老化測試設備，其中該平台為一移動式平台，該物件隨該移動式平台移動，而使該第二光束以至少一路徑投射至該物件。
4. 如申請專利範圍第3項所述的材料老化測試設備，其中該物件分隔為多個老化區，該第二光束以多個路徑投射於該些老化區，不同老化區含不同疏密路徑。
5. 如申請專利範圍第1項所述的材料老化測試設備，其中該第一光束的功率可調整。
6. 如申請專利範圍第1項所述的材料老化測試設備，其中該第一光束的波長可調整。
7. 如申請專利範圍第6項所述的材料老化測試設備，其中該第一光束波長可調整範圍是280nm至400nm。
8. 如申請專利範圍第1項所述的材料老化測試設備，其中該物件為太陽能電池，且該第二光束的平均功率密度為10kw/m²至 0.1kw/m²。
9. 如申請專利範圍第1項所述的材料老化測試設備，其中該物件為高分子材料，而且該第二光束的平均功率密度為5kw/m²至0.1kw/m²。
10. 如申請專利範圍第1項所述的材料老化測試設備，其中該脈衝雷射光源的脈衝寬度小於1μs，脈衝重覆率大於或等於10Hz。
11. 如申請專利範圍第1項所述的材料老化測試設備，其中該第二光束投射在該物件上的面積大於1cm²。
12. 如申請專利範圍第1項所述的材料老化測試設備，還包括：一溫度控制模組，連接該平台，以調整該平台用以承載該物件處的溫度。
13. 如申請專利範圍第12項所述的材料老化測試設備，其中該平台溫度可調範圍為10℃至60℃。
14. 如申請專利範圍第1項所述的材料老化測試設備，其中該第二光束投射於該物件時，可使該物件激發螢光。
15. 一種材料老化測試方法，包括：由一脈衝雷射光源提供一第一光束投射至一擴束組件；該第一光束經由該擴束組件轉換成一第二光束後投射至一物件，並持續投射一段時間；以及於該第二光束投射於該物件之該段時間內，由一頻譜分析儀量測該物件因該第二光束之投射所產生之頻譜響應。
16. 如申請專利範圍第15項所述的材料老化測試方法，其中該頻譜分析儀量測該物件之頻譜響應之時間，係至少於該第二光束開始投射於該物件，直至該物件激發螢光之頻譜響應達到最高 點並隨時間下降至最低點為止之間的時間。
17. 如申請專利範圍第16項所述的材料老化測試方法，其中該物件激發螢光之頻譜響應下降至之該最低點係指該物件無頻譜響應之時點。
18. 如申請專利範圍第15項所述的材料老化測試方法，其中該第二光束投射於該物件時，可使該物件激發螢光，該頻譜分析儀係量測該物件所產生之螢光之頻譜響應。