TWI486601B - 用於檢測太陽能電池之缺陷的方法與系統 - Google Patents

用於檢測太陽能電池之缺陷的方法與系統 Download PDF

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Shu Tsung Hsu
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Description

用於檢測太陽能電池之缺陷的方法與系統
本揭露是有關於一種用於檢測太陽能電池之缺陷的方法與系統。
目前世界各國都在積極發展太陽能電池材料與製程技術，必且致力於發展高效能的奈米級太陽能電池元件及可應用於太陽能電池的材料。此外，例如金屬穿透式背電極太陽能電池(metallization-wrap-through，MWT)、有機類太陽能電池(organic-type photovoltaic，OPV)等各種朝向複合式設計的太陽能電池也逐漸被提出，這些太陽能電池之材質與元件結構不再屬於單一材質或單層結構。
現階段來說，對於太陽能電池的缺陷檢測技術主要是仰賴光學檢測技術，例如，電致發光(Electroluminescence，EL)與光致發光(photoluminescence，PL)等光學檢測技術。但是，對於具有多種材質或多層結構的太陽能電池來說，能否快速且有效地檢 測出太陽能電池存在的缺陷，仍為本領域之研究人員所致力研究的課題之一。
本揭露提供一種用於檢測太陽能電池之缺陷的方法與系統，可對太陽能電池進行多面向之分析，以找出太陽能電池可能存在的缺陷。
本揭露提供一種檢測太陽能電池之缺陷的方法，並且此方法包括：自檢測裝置接收對應於太陽能電池的檢測資料；根據檢測資料獲得太陽能電池的電流-電壓曲線；在電流-電壓曲線上定義第一參考區域，並且獲得電流-電壓曲線在第一參考區域內的多個第一曲線特徵；根據所獲得的第一曲線特徵決定太陽能電池的缺陷類型。
此外，本揭露另提供一種用於檢測太陽能電池之缺陷的系統，此系統包括檢測裝置與分析裝置。檢測裝置用以對太陽能電池進行檢測。分析裝置耦接檢測裝置，並且用以自檢測裝置接收對應於太陽能電池的檢測資料。此分析裝置包括曲線獲得模組、曲線特徵檢查模組及缺陷檢查模組。曲線獲得模組用以根據檢測資料獲得太陽能電池的電流-電壓曲線。曲線特徵檢查模組耦接曲線獲得模組。曲線特徵檢查模組用以在電流-電壓曲線上定義第一參考區域，並且獲得電流-電壓曲線在第一參考區域內的多個第一曲線特徵。缺陷檢查模組耦接曲線特徵檢查模組，並且用以 根據所獲得的第一曲線特徵決定太陽能電池的缺陷類型。
基於上述，在獲得對應於一太陽能電池的檢測資料之後，本揭露可根據此檢測資料獲得太陽能電池的電流-電壓曲線。接著，在所獲得的電流-電壓曲線上定義一個參考區域，並且獲得電流-電壓曲線在此參考區域內的多個曲線特徵。然後，根據這些曲線特徵決定太陽能電池的缺陷類型。藉此，本揭露可快速且精確的判斷出太陽能電池可能存在的缺陷。
為讓本揭露的上述特徵和優點能更明顯易懂，下文特舉範例實施例，並配合所附圖式作詳細說明如下。
10‧‧‧用於檢測太陽能電池之缺陷的系統
102‧‧‧太陽能電池
11‧‧‧檢測裝置
112‧‧‧電流-電壓量測裝置
114‧‧‧可變波段光學裝置
12‧‧‧分析裝置
122‧‧‧曲線獲得模組
124‧‧‧曲線特徵檢查模組
126‧‧‧缺陷檢查模組
128‧‧‧特性參數計算模組
129‧‧‧溫度係數計算模組
13‧‧‧輸出裝置
21、31‧‧‧電流-電壓曲線
22、23、32、33、42、52‧‧‧參考曲線範圍
41、51‧‧‧光電轉換效率-頻譜曲線
601、602、603、604‧‧‧太陽能晶片
D1、D2‧‧‧二極體
I‧‧‧電流
Is ‧‧‧飽和電流
Rs ‧‧‧串聯電阻
Rsh ‧‧‧並聯電阻
V、V1、V2、V3、V4‧‧‧電壓
S902、S904、S906、S908‧‧‧本揭露一範例實施例之用於檢測太陽能電池之缺陷的方法各步驟
S1002、S1004、S1006、S1008、S1010、S1012、S1014、S1016、S1018‧‧‧本揭露另一範例實施例之用於檢測太陽能電池之缺陷的方法各步驟
圖1為根據本揭露之一範例實施例所繪示的用於檢測太陽能電池之缺陷的系統。
圖2與圖3為根據本揭露之一範例實施例所繪示的電流-電壓曲線的示意圖。
圖4與圖5為根據本揭露之一範例實施例所繪示的光電轉換效率-頻譜曲線的示意圖。
圖6為根據本揭露之一範例實施例所繪示的太陽能電池的示意圖。
圖7與圖8為根據本揭露之一範例實施例所繪示的太陽能電池的等效電路示意圖。
圖9為根據本揭露之一範例實施例所繪示的用於檢測太陽能電池之缺陷的方法之流程圖。
圖10為根據本揭露之另一範例實施例所繪示的用於檢測太陽能電池之缺陷的方法之流程圖。
一般來說，除了太陽能電池表面的破損(breakage)或裂痕(crack)之外，部分太陽能電池的缺陷也可能會隱藏於太陽能電池的內部結構之中，例如，因水氣進入太陽能電池內部或太陽能電池之多層材料間的不當接觸等等。然而，對於各種位於/非位於太陽能電池表面的缺陷，目前來說，仍缺乏快速、精確且全面的缺陷檢測機制。
因此，本揭露提出一種用於檢測太陽能電池之缺陷的方法，可根據量測到的太陽能電池的電流-電壓曲線與太陽能電池反應於多個不同波長之光線的光電轉換效率，來決定太陽能電池的缺陷類型。特別是，本揭露提出的方法不僅可針對位於太陽能電池表面的缺陷進行檢測，也可同時辨識出存在於太陽能電池內部的缺陷。
此外，本揭露範例實施例更揭示了可用於體現上述方法之用於檢測太陽能電池之缺陷的系統。為了使本揭露之內容更容易明瞭，以下特舉範例實施例作為本揭露確實能夠據以實施的範例。
圖1為根據本揭露之一範例實施例所繪示的用於檢測太陽能電池之缺陷的系統。請參照圖1，用於檢測太陽能電池之缺陷的系統10包括檢測裝置11、分析裝置12及輸出裝置13。
檢測裝置11用以對太陽能電池102進行檢測。在本範例實施例中，檢測裝置11包括電流-電壓量測裝置112與可變波段光學裝置114。電流-電壓量測裝置112用以對太陽能電池102進行電性檢測。舉例來說，電流-電壓量測裝置112可以包含鋁反射板(Aluminum reflector)等各式金屬反射板，並且至少可用於量測太陽能電池102的輸出電流與輸出電壓。
可變波段光學裝置114用以對太陽能電池102進行光學檢測。舉例來說，可變波段光學裝置114可以是發光二極體太陽能模擬器(LED Solar simulator)或單光儀(monochromator)等各式可產生不同波長(wavelength)之光線的可變波段光學裝置。也就是說，在可變波段光學裝置114利用不同波長的光線對太陽能電池102進行照射之後，電流-電壓量測裝置112可對太陽能電池102反應於不同波長之光線所產生的輸出電流與輸出電壓進行量測。
此外，檢測裝置11還可提供一檢測環境，以在此檢測環境中對太陽能電池102進行檢測，並且檢測裝置11可控制此檢測環境的溫度與溼度。也就是說，檢測裝置11模擬類似於黑盒子(black box)的測試環境，並且在此測試環境中溫度與溼度可以任意地由檢測裝置11的控制器(未繪示)進行調整。因此，檢測裝置11可全面地搜集太陽能電池102在各種溫度、濕度或照度下反應於 不同波長之光線所產生的輸出電流、輸出電壓及其他與量測太陽能電池102的光電轉換效率有關的參數，並將所蒐集到的參數傳送至分析裝置12。
分析裝置12是耦接至檢測裝置11。分析裝置12用以自檢測裝置11接收對應於太陽能電池102的檢測資料，並根據此檢測資料獲得太陽能電池102的電流-電壓曲線(I-V curve)。然後，分析裝置12可根據所獲得的電流-電壓曲線決定太陽能電池102的缺陷類型。舉例來說，分析裝置12可以是包括桌上型電腦、筆記型電腦及平板電腦(Tablet PC)等各式具有運算功能的電子裝置。分析裝置12可以更包括儲存單元，例如硬碟(未繪示)或記憶體(未繪示)，此硬碟或記憶體中建有一缺陷特徵資料庫，並且此缺陷特徵資料庫儲存有多個缺陷特徵，其中每一個缺陷特徵對應至太陽能電池常見的一種缺陷類型。當分析裝置12獲得太陽能電池102的電流-電壓曲線時，分析裝置12會將此電流-電壓曲線與這些缺陷特徵進行比對，並且根據比對結果決定太陽能電池102可能的缺陷類型。在本範例實施例中，可概略將太陽能電池的缺陷類型劃分為晶格(lattice)缺陷、非晶格面缺陷、電極處缺陷、大裂痕(large-crack)缺陷、微裂痕(micro-crack)缺陷、雜質(inclusion)缺陷、濕度(moisture)缺陷及材料缺陷等等，且本揭露不限於此。
輸出裝置13是耦接分析裝置12，並且用以呈現分析裝置12的分析結果。舉例來說，輸出裝置13可包括顯示器(未繪示)等視訊輸出裝置，並且可將分析裝置12所決定之太陽能電池102的 缺陷類型或屬性等相關資訊顯示於此視訊輸出裝置上。或者，在另一範例實施例中，輸出裝置13還可包括揚聲器(未繪示)等音訊輸出裝置，以將太陽能電池102的缺陷類型或屬性等相關資訊透過語音輸出。
詳細而言，分析裝置12包括曲線獲得模組122、曲線特徵檢查模組124與缺陷檢查模組126。
曲線獲得模組122接收來自檢測裝置11的檢測資料，並根據檢測資料中的電流與電壓等參數，獲得太陽能電池102的電流-電壓(Current-Voltage,I-V)曲線。
舉例來說，圖2與圖3為根據本揭露之一範例實施例所繪示的電流-電壓曲線的示意圖。請參照圖2，若太陽能電池102沒有實質缺陷，則曲線獲得模組122可例如產生電流-電壓曲線21。反之，請參照圖3，若太陽能電池102具有實質缺陷，則曲線獲得模組122可例如產生電流-電壓曲線31或類似之曲線。需明瞭的是，電流-電壓曲線21與電流-電壓曲線31僅為一個範例，而非涵蓋所有可能的情形。對應於太陽能電池的不同缺陷，實際量測到的電流-電壓曲線也會有所差異。
詳細而言，曲線獲得模組122可以根據接收到的檢測資料獲得太陽能電池102的初始電流-電壓曲線。但是，此初始電流-電壓曲線可能會因太陽能電池102與導線、金屬電極或其他元件之間的接觸點有問題，或者因太陽能電池的封裝結構有問題，而導致此初始電流-電壓曲線不具有分析價值。舉例來說，若太陽能 電池102與導線、金屬電極或其他元件之間的接觸點有問題，則對應於太陽能電池102的檢測資料無法反應出太陽能電池102的真正問題。另外，若太陽能電池102的封裝結構有問題，則透過電流-電壓曲線同樣無法得知太陽能電池102的真正缺陷。
因此，在曲線獲得模組122得到初始電流-電壓曲線之後，曲線獲得模組122可以判斷此初始電流-電壓曲線是否具有接觸點缺陷特徵或封裝缺陷特徵。其中，接觸點缺陷特徵與封裝缺陷特徵皆可根據初始電流-電壓曲線而很快速地被識別出來。舉例來說，接觸點缺陷特徵例如是初始電流-電壓曲線的電流或電壓太小，或者曲線變化太劇烈等等，並且封裝缺陷特徵則例如是因封裝不良，而導致電容效應反應在初始電流-電壓曲線上的變化太過明顯等等。因此，若初始電流-電壓曲線具有接觸點缺陷特徵或封裝缺陷特徵的其中之一，就表示太陽能電池102的接觸點或封裝結構已有問題，而不需再進行後續檢測。反之，若初始電流-電壓曲線不具有接觸點缺陷特徵與封裝缺陷特徵，則曲線獲得模組122可以對初始電流-電壓曲線進行一平滑(smooth)處理，以產生可供後續分析之用的電流-電壓曲線。
舉例來說，未經平滑處理過的初始電流-電壓曲線可能會是明顯的階梯(ladder)曲線，或者更進一步具有明顯的突波(surge)。因此，在此提及的平滑處理主要就是將階梯曲線修正成較為平滑的曲線，並且連帶將階梯曲線上可能具有的突波盡可能的抹平，以免影響後續分析之精確度。
曲線特徵檢查模組124耦接曲線獲得模組122。詳細而言，曲線特徵檢查模組124可在曲線獲得模組122所產生的電流-電壓曲線上定義一個或多個參考曲線範圍，並且計算此一個或多個參考曲線範圍內電流-電壓曲線的多個曲線特徵。以圖3為例，曲線特徵檢查模組124可在電流-電壓曲線31上定義出參考曲線範圍32(例如，電壓V1至電壓V2之範圍，亦稱為第一參考曲線)。然後，曲線特徵檢查模組124可在參考曲線範圍32內計算多個電壓點對應在電流-電壓曲線31上的曲率半徑(curvature radius)或斜率(slope)等曲線特徵。或者，曲線特徵檢查模組124也可同時在電流-電壓曲線31上定義出參考曲線範圍32(例如，電壓V1至電壓V2之範圍)與參考曲線範圍33(例如，電壓V3至電壓V4之範圍，亦稱為第二參考曲線)，並且在參考曲線範圍32與參考曲線範圍33內計算多個電壓點對應在電流-電壓曲線31上的曲率半徑或斜率等曲線特徵。在本範例實施例中，這些電壓點的數目可以是3~10個或者更多，視實務上的需求而定。
缺陷檢查模組126可對這些曲線特徵進行分析。例如，缺陷檢查模組126可將這些曲線特徵與缺陷特徵資料庫中的缺陷特徵進行比對。若這些曲線特徵與缺陷特徵資料庫中的一特定缺陷特徵一致，缺陷檢查模組126可根據此特定缺陷特徵決定太陽能電池102的缺陷類型。
以圖2為例，若同樣在電流-電壓曲線21上定義出參考曲線範圍22(例如，電壓V1至電壓V2之範圍)與參考曲線範圍23(例 如，電壓V3至電壓V4之範圍)，在參考曲線範圍22與參考曲線範圍23內，電流-電壓曲線21的曲率半徑或斜率會盡量維持不變。更詳細而言，在參考曲線範圍22內，電流-電壓曲線21的曲率半徑會盡可能的接近無窮大(或電流-電壓曲線21的斜率會盡可能的趨近於零)，並且在參考曲線範圍23內，電流-電壓曲線21的曲率半徑或斜率皆會盡可能的接近無窮大。因此，若將電流-電壓曲線21在參考曲線範圍22(或參考曲線範圍22與參考曲線範圍23)內的多個曲線特徵作為判斷太陽能電池是否存在缺陷的基準，則在將電流-電壓曲線31在參考曲線範圍32(或參考曲線範圍32與參考曲線範圍33)內的多個曲線特徵與電流-電壓曲線21在參考曲線範圍22(或參考曲線範圍22與參考曲線範圍23)內的多個曲線特徵進行比對之後，缺陷檢查模組126可以很快速地得知太陽能電池102是否存在缺陷。然後，透過查詢缺陷特徵資料庫，缺陷檢查模組126可以更進一步得知目前獲得的電流-電壓曲線(例如，電流-電壓曲線31)所對應的缺陷類型。
然而，須明瞭的是，圖2中作為基準的電流-電壓曲線21之曲率半徑或斜率僅為一個範例，而非用以限定本揭露。例如，在其他範例實施例中，對於電流-電壓曲線的曲率半徑或斜率的最佳情況，仍可視實務上的需求而設定。
為了更為全面地檢測出太陽能電池可能存在的缺陷，在一範例實施例中，曲線獲得模組122也可根據檢測資料中的電流、電壓及其他與太陽能電池102的光電轉換效率有關的參數，獲得 一光電轉換效率-頻譜曲線，並且此光電轉換效率-頻譜曲線可呈現太陽能電池102反應於多個不同波長之光線的光電轉換效率。
舉例來說，圖4與圖5為根據本揭露之一範例實施例所繪示的光電轉換效率-頻譜曲線的示意圖。請參照圖4，若太陽能電池102沒有實質缺陷，曲線獲得模組122可例如根據接收到的檢測資料產生光電轉換效率-頻譜曲線41。在本範例實施例中，光電轉換效率-頻譜曲線41例如呈現出太陽能電池102反應於波長為300奈米(nanometer,nm)至1100奈米之間的各個光線的光電轉換效率。反之，請參照圖5，若太陽能電池102具有實質缺陷，則曲線獲得模組122可例如產生光電轉換效率-頻譜曲線51或類似之曲線。需明瞭的是，光電轉換效率-頻譜曲線41與光電轉換效率-頻譜曲線51僅為一個範例，而非涵蓋所有可能的情形。對應於太陽能電池的不同缺陷，實際量測到的光電轉換效率-頻譜曲線也會有所差異。
詳細而言，曲線獲得模組122可以根據接收到的檢測資料來計算對應於照射在太陽能電池102上的不同波長之光線的多個有效比例，其中每一個有效比例對應照射在太陽能電池102上的不同波長之光線的其中之一。假設太陽能電池102受到一特定波長之光線的照射，太陽能電池102可以統計太陽能電池102中有效太陽能晶片之數目，以獲得太陽能電池102對應於此特定波長之光線的光電轉換效率。其中，有效太陽能晶片就是太陽能電池102中反應於此特定波長之光線的光電轉換效率超過此轉換效 率門檻值之太陽能晶片。
以此類推，若太陽能電池102受到K個(K大於1)不同波長之光線的照射，曲線獲得模組122可以統計太陽能電池102中反應此K個光線中一特定波長(亦稱為第N波長，並且N是1至K中的一個正整數)之光線的光電轉換效率超過此轉換效率門檻值之太陽能晶片的數目(亦稱為第N數目)，並根據此第N數目計算一有效比例(亦稱為第N有效比例)。例如，將太陽能電池102中對應於第N波長的有效太陽能晶片之數目除以太陽能電池102中所有太陽能晶片之數目，而獲得第N有效比例。藉此，在完成K次(對應於K個光線)的上述計算之後，曲線獲得模組122可以獲得K個有效比例(亦稱為第1有效比例至第K有效比例)，並且根據此K個有效比例獲得光電轉換效率-頻譜曲線(例如，光電轉換效率-頻譜曲線41或光電轉換效率-頻譜曲線51)。
舉例來說，圖6為根據本揭露之一範例實施例所繪示的太陽能電池的示意圖。請參照圖6，以K=2為例(例如，第1波長=600奈米，並且第2波長=700奈米)，假設轉換效率門檻值為90%，並且太陽能電池102包括太陽能晶片601~604，且本揭露不以此為限。
假設當檢測裝置11(或可變波段光學裝置114)以波長為600奈米的光線照射太陽能晶片601~604時，曲線獲得模組122根據接收到的檢測資料獲得太陽能晶片601的光電轉換效率為92%、太陽能晶片602的光電轉換效率為88%、太陽能晶片603 的光電轉換效率為86%，並且太陽能晶片604的光電轉換效率為94%。另外，假設當檢測裝置11(或可變波段光學裝置114)以波長為700奈米的光線照射太陽能晶片601~604時，曲線獲得模組122根據接收到的檢測資料獲得太陽能晶片601的光電轉換效率為93%、太陽能晶片602的光電轉換效率為91%、太陽能晶片603的光電轉換效率為89%，並且太陽能晶片604的光電轉換效率為97%。
然後，對應於波長為600奈米的光線，曲線獲得模組122可得知太陽能電池102中光電轉換效率大於90%(即，轉換效率門檻值)的太陽能晶片之數目為2個(即，太陽能晶片601與太陽能晶片604)，此數目佔所有太陽能晶片601~604之總數的50%。另外，對應於波長為700奈米的光線，曲線獲得模組122可得知太陽能電池102中光電轉換效率大於90%的太陽能晶片之數目為3個(即，太陽能晶片601、太陽能晶片602及太陽能晶片604)，此數目佔所有太陽能晶片601~604之總數的75%。
也就是說，若設定轉換效率門檻值為90%，當波長為600奈米的光線照射在太陽能電池102上時，太陽能電池102中的太陽能晶片601~604的有效比例為50%。另外，當波長為700奈米的光線照射在太陽能電池102上時，太陽能電池102中的太陽能晶片601~604的有效比例為75%。因此，以圖4與圖5為例，曲線獲得模組122可設定N=300~1100，並且重複執行上述操作，以獲得光電轉換效率-頻譜曲線41與光電轉換效率-頻譜曲線51。
然後，缺陷檢查模組126可基於其先前根據電流-電壓曲線所決定的缺陷類型，並且利用此光電轉換效率-頻譜曲線對此缺陷類型進行雙重驗證，或者根據此光電轉換效率-頻譜曲線來進一步對原先根據電流-電壓曲線所決定的缺陷類型進行修正。
舉例來說，曲線特徵檢查模組124也可在曲線獲得模組122所產生的光電轉換效率-頻譜曲線上定義一個參考曲線範圍，並且計算此參考曲線範圍內光電轉換效率-頻譜曲線的多個曲線特徵。以圖5為例，曲線特徵檢查模組124可在光電轉換效率-頻譜曲線51上定義出參考曲線範圍52(例如，波長500至波長900之範圍)。然後，曲線特徵檢查模組124可在參考曲線範圍52內計算多個參考點對應在光電轉換效率-頻譜曲線51上的曲率半徑或斜率等曲線特徵。然後，缺陷檢查模組126可將這些曲線特徵與缺陷特徵資料庫中的缺陷特徵進行比對。若這些曲線特徵與缺陷特徵資料庫中的一特定缺陷特徵一致，缺陷檢查模組126可根據此特定缺陷特徵決定太陽能電池102的缺陷類型。在本範例實施例中，這些參考點的數目可以是3~10個或者更多，視實務上的需求而定。
以圖4為例，若在光電轉換效率-頻譜曲線41上定義出參考曲線範圍42(例如，波長500至波長900之範圍)，在參考曲線範圍42內，光電轉換效率-頻譜曲線41的各個參考點之曲率半徑或斜率應該會維持不變。更詳細而言，在參考曲線範圍42內，光電轉換效率-頻譜曲線41的各個參考點之曲率半徑會盡可能的接 近無窮大(或斜率會盡可能的趨近於零)。因此，若將光電轉換效率-頻譜曲線41在參考曲線範圍42內的多個曲線特徵作為判斷太陽能電池是否存在缺陷的基準，則在將光電轉換效率-頻譜曲線51在參考曲線範圍52內的多個曲線特徵與光電轉換效率-頻譜曲線41在參考曲線範圍42內的多個曲線特徵進行比對之後，缺陷檢查模組126同樣可以很快速地得知太陽能電池102是否存在缺陷。然後，透過查詢缺陷特徵資料庫，缺陷檢查模組126可以更進一步得知目前獲得的光電轉換效率-頻譜曲線(例如，光電轉換效率-頻譜曲線41)所對應的缺陷類型。
然而，需明瞭的是，圖4中作為基準的光電轉換效率-頻譜曲線41之曲率半徑或斜率僅為一個範例，而非用以限定本揭露。例如，在其他範例實施例中，對於光電轉換效率-頻譜曲線的曲率半徑或斜率的最佳情況，仍可視實務上的需求而設定。
綜上所述，本揭露可在太陽能電池可能存在的缺陷、電流-電壓曲線及光電轉換效率-頻譜曲線之間找到關聯與規律，而可根據電流-電壓曲線、光電轉換效率-頻譜曲線及所制定的識別規則來識別出太陽能電池可能存在的缺陷。
從另一角度來看，缺陷檢查模組126可以根據電流-電壓曲線來決定太陽能電池的電性缺陷，並且根據光電轉換效率-頻譜曲線來決定太陽能電池的頻譜缺陷。舉例來說，電性缺陷可包括晶格面缺陷、非晶格面缺陷、電極處缺陷、大裂痕缺陷、微裂痕缺陷、雜質缺陷或濕度缺陷等等，並且頻譜缺陷可包括大裂痕缺 陷、微裂痕缺陷、雜質缺陷或材料缺陷等等，且本揭露不以此為限。
圖7與圖8為根據本揭露之一範例實施例所繪示的太陽能電池的等效電路示意圖。請參照圖7，假設將太陽能電池視為二極體D1，則太陽能電池的等效電路71會因為寄生效應(Parasitics)而產生串聯電阻Rs 及並聯電阻Rsh 。並聯電阻Rsh 主要是因太陽能電池的漏電流(leakage current)或與晶格有關的缺陷而產生的，並且串聯電阻Rs 則例如是因接觸電阻、金屬電極或引線所造成的。一般來說，當太陽能電池沒有實質缺陷時，並聯電阻Rsh 非常大，因此太陽能電池(即，二極體D1)內部之電子與電洞(electron hole)間的傳導不會流失。舉例來說，當太陽能電池沒有實質缺陷時，流經串聯電阻Rs 的電流I可經由下列方程式(1.1)表示：
其中q為電量單位、k為波茲曼常數(Boltzmann constant)、T為絕對溫度(absolute temperature)，並且Is 為飽和電流(Saturation current)。
反之，請參照圖8，當太陽能電池有裂痕或類似缺陷時，可將此裂痕或類似缺陷視為太陽能電池的等效電路81中的二極體D2。相對於圖7，原流經二極體D1的部份電流會分流至二極體D2(即，產生漏電流)。此時，流經串聯電阻Rs 的電流I可例如經由下列方程式(1.2)表示：
其中Ish,D2 表示流經二極體D2的電流(即，漏電流)。以傳統矽晶太陽電池為例，太陽能電池的電性缺陷之型態主要可分為晶格缺陷與非晶格面缺陷。晶格缺陷例如是太陽能電池內部存在不純物質而造成其結構上之不連續面。非晶格面缺陷則例如是由於外力(external force)產生的裂痕，並且於裂痕處形成一漏電路徑。晶格面缺陷通常會促使Rs 產生較大異常，並且非晶格面缺陷則往往會使得Rsh 具有較大的變異。此外，以圖3為例，Rs 產生的異常通常會反應在參考曲線範圍23內，並且Rsh 產生的變異則通常會反應在參考曲線範圍22。因此，透過分析電流-電壓曲線，缺陷檢查模組126可得知Rs 及/或Rsh 的變異程度，或者其他與上述電性缺陷有關的缺陷特徵。
此外，缺陷檢查模組126可以判斷太陽能電池102的光電轉換效率-頻譜曲線是否平滑且穩定。若太陽能電池102的光電轉換效率-頻譜曲線不平滑或不穩定，則缺陷檢查模組126可進一步分析太陽能電池102的光電轉換效率-頻譜曲線反應於哪些波長之光線具有較差的光電轉換效率，或者判斷太陽能電池102的光電轉換效率-頻譜曲線反應於哪個波長範圍之光線有較大的起伏等等。然後，缺陷檢查模組126可根據所獲得的分析結果查詢缺線特徵資料庫，以獲得對應的頻譜缺陷。
接著，在決定太陽能電池102可能存在的電性缺陷與頻 譜缺陷之後，缺陷檢查模組126可將電性缺陷與頻譜缺陷進行關聯，並且根據電性缺陷與頻譜缺陷進行關聯的關聯結果，決定太陽能電池102最有可能存在的缺陷類型。詳細而言，電流-電壓曲線是針對太陽能電池的整體進行電性量測而作出的，因此電性缺陷是對於太陽能電池之全面性檢測的檢測結果。另外，光電轉換效率-頻譜曲線是將太陽能電池中的每一個太陽能晶片的光電轉換效率進行分析與統計而得的，因此頻譜缺陷為對於太陽能電池的區域性檢測的檢測結果。因此，透過參考電流-電壓曲線與光電轉換效率-頻譜曲線，本揭露兼具全面性檢測與區域性檢測的特性。也就是說，利用光電轉換效率-頻譜曲線來對基於電流-電壓曲線的檢測出的缺陷類型進行雙重驗證，本揭露可可更為快速、精確且全面地對太陽能電池102是否存在晶格缺陷、非晶格面缺陷、電極處缺陷、大裂痕缺陷、微裂痕缺陷、雜質缺陷、濕度缺陷及材料缺陷等各種類型的缺陷進行檢測，並可將識別出的缺陷類型呈現給開發人員，作為後續深入檢測或改善缺陷的依據。
然而，本揭露不以此為限。請再次參照圖1，在一範例實施例中，分析裝置12也可包括特性參數計算模組128。特性參數計算模組128耦接曲線獲得模組122與缺陷檢查模組126。特性參數計算模組128可對接收到的檢測資料執行最小平方近似(Least Square Approximation)等曲線擬合(curve fitting)運算，以獲得足以表示太陽能電池101之電流-電壓曲線的多項式擬合曲線(polynomial fitting curve)方程式。舉例來說，特性參數計算模組 128可判斷多項式擬合曲線方程式之擬合誤差是否小於一預設值。若此多項式擬合曲線方程式之擬合誤差沒有小於此預設值，則表示目前獲得的多項式擬合曲線方程式還不足以表示太陽能電池101之電流-電壓曲線。因此，特性參數計算模組128可調整一擬合參數，例如將多項式擬合曲線方程式的次方數加1，並再次執行曲線擬合運算，以獲得另一多項式擬合曲線方程式。
若所獲得的多項式擬合曲線方程式之擬合誤差小於此預設值或符合一基本要求，則表示目前獲得的多項式擬合曲線方程式已足夠表示太陽能電池101之電流-電壓曲線。因此，特性參數計算模組128可根據此多項式擬合曲線方程式來計算太陽能電池102之等效電路的開路電壓(Open Circuit Voltage，Voc)、短路電流(Short Circuit Current，Isc)、最大功率(Maximum Power，Pm)以及最大功率的電流(Maximum Power Current，Imp)和最大功率的電壓(Maximum Power Voltage，Vmp)等特性參數，並將計算出的特性參數交由缺陷檢查模組126進行分析。
然後，缺陷檢查模組126可根據電流-電壓曲線(或第一曲線特徵)、光電轉換效率-頻譜曲線及這些特性參數，決定太陽能電池102的缺陷類型。
此外，在另一範例實施例中，分析裝置12還可包括溫度係數計算模組129。溫度係數計算模組129耦接曲線獲得模組122與缺陷檢查模組126。溫度係數計算模組129可根據太陽能電池102在不同之溫度及/或照度下獲得的電流-電壓曲線與光電轉換效 率-頻譜曲線計算相關的溫度係數，以輸出不同溫度及/或照度下對應的溫度係數至缺陷檢查模組126。然後，缺陷檢查模組126可根據電流-電壓曲線(或第一曲線特徵)、光電轉換效率-頻譜曲線、上述特性參數及溫度係數，來決定太陽能電池102的缺陷類型。
也就是說，在對電流-電壓曲線與光電轉換效率-頻譜曲線進行缺陷分析的過程中，缺陷檢查模組126還可參考特性參數計算模組128與溫度係數計算模組129的輸出資料，而獲得更加精確且完整的缺陷資訊。例如，透過整合特性參數計算模組128輸出的特性參數與溫度係數計算模組129輸出的溫度係數，缺陷檢查模組126可得知電流-電壓曲線與光電轉換效率-頻譜曲線在不同的溫度或照度下的變化，以及詳細的開路電壓與短路電流等有利於進一步分析之輔助資訊。
圖9為根據本揭露之一範例實施例所繪示的用於檢測太陽能電池之缺陷的方法之流程圖。
請同時參照圖1與圖9，在步驟S902中，分析裝置12(或曲線獲得模組122)自檢測裝置11接收對應於太陽能電池102的檢測資料。
接著，在步驟S904中，曲線獲得模組122根據檢測資料獲得太陽能電池102的電流-電壓曲線。然後，在步驟S906中，曲線特徵檢查模組124在所獲的電流-電壓曲線上定義一參考區域，並且獲得電流-電壓曲線在此參考區域內的多個曲線特徵。
然後，在步驟S908中，缺陷檢查模組126根據這些曲線 特徵來決定太陽能電池102最可能存在的缺陷類型。
圖10為根據本揭露之另一範例實施例所繪示的用於檢測太陽能電池之缺陷的方法之流程圖。
請參照圖10，在步驟S1002中，曲線特徵檢查模組124根據檢測資料獲得太陽能電池102的初始電流-電壓曲線。然後，在步驟S1004中，曲線特徵檢查模組124判斷此初始電流-電壓曲線是否具有接觸點缺陷特徵。
若此初始電流-電壓曲線不具有接觸點缺陷特徵，在步驟S1006中，曲線特徵檢查模組124判斷此初始電流-電壓曲線是否具有封裝缺陷特徵。
若此初始電流-電壓曲線非也不具有封裝缺陷特徵，在步驟S1008中，曲線特徵檢查模組124對初始電流-電壓曲線進行平滑處理，以產生太陽能電池102的電流-電壓曲線。
然後，在步驟S1010中，缺陷檢查模組126根據平滑處理後的電流-電壓曲線判斷太陽能電池102是否具有缺陷，例如將電流-電壓曲線的曲線特徵與缺陷特徵資料庫中的缺陷特徵進行比對。
若太陽能電池102具有缺陷，則在步驟S1012中，缺陷檢查模組126進一步根據電流-電壓曲線決定太陽能電池102最有可能的缺陷類型。反之，若太陽能電池102不具有缺陷，則在步驟S1014中，缺陷檢查模組126回報太陽能電池102沒有缺陷。
若在步驟S1004中判定初始電流-電壓曲線具有接觸點缺 陷特徵，則在步驟S1016中，缺陷檢查模組126回報太陽能電池102具有接觸點缺陷，而不執行後續檢測。
類似地，若在步驟S1006中判定初始電流-電壓曲線具有封裝缺陷特徵，則在步驟S1018中，缺陷檢查模組126回報太陽能電池102具有封裝缺陷，並且不執行後續檢測。
值得一提的是，圖10中的步驟S1004與步驟S1006可以是同時執行或依序執行，且執行順序也可以適應性調整。例如，在另一範例實施例中，可以先執行步驟S1006，若判斷為否，則接續執行步驟S1004。另外，關於上述方法之詳細實施細節皆已充分揭示於前述範例實施例中，故在此不重複贅述。
此外，上述範例實施例中提及的曲線獲得模組122、曲線特徵檢查模組124、缺陷檢查模組126、特性參數計算模組128及溫度係數計算模組129例如是以邏輯電路元件組成的硬體裝置或電路，而可分別執行上述之功能。另外，曲線獲得模組122、曲線特徵檢查模組124、缺陷檢查模組126、特性參數計算模組128及溫度係數計算模組129也可以是儲存在分析裝置12之硬碟或記憶體中的軟體程式或軔體程式來實作。例如，在一範例實施例中，曲線獲得模組122、曲線特徵檢查模組124、缺陷檢查模組126、特性參數計算模組128及溫度係數計算模組129可以被載入至分析裝置12的處理器(未繪示)，而分別執行上述用於檢測太陽能電池之缺陷的方法各步驟。
綜上所述，本揭露可根據檢測裝置對太陽能電池進行檢 測的檢測結果，獲得相關的檢測資料。然後，根據此檢測資料，可獲得太陽能電池的電流-電壓曲線、太陽能電池反應於多個不同波長之光線的光電轉換效率、太陽能電池之等效電路的特性參數及太陽能電池在不同溫度或照度下的溫度係數等資訊，以根據這些資訊的部份或全部來決定太陽能電池最有可能存在的缺陷。
雖然本揭露已以實施例揭露如上，然其並非用以限定本揭露，任何所屬技術領域中具有通常知識者，在不脫離本揭露的精神和範圍內，當可作些許的更動與潤飾，故本揭露的保護範圍當視後附的申請專利範圍所界定者為準。
S902、S904、S906、S908‧‧‧用於檢測太陽能電池之缺陷的方法各步驟

Claims (21)

  1. 一種用於檢測太陽能電池之缺陷的方法，包括：自一檢測裝置接收對應於該太陽能電池的一檢測資料；根據該檢測資料獲得該太陽能電池的一電流-電壓曲線，其中根據該檢測資料獲得該太陽能電池的該電流-電壓曲線的步驟，包括：根據該檢測資料獲得該太陽能電池的一初始電流-電壓曲線；判斷該初始電流-電壓曲線是否具有一接觸點缺陷特徵或一封裝缺陷特徵；以及若該初始電流-電壓曲線非具有該接觸點缺陷特徵與該封裝缺陷特徵，對該初始電流-電壓曲線進行一平滑(smooth)處理，以產生該電流-電壓曲線；在該電流-電壓曲線上定義一第一參考區域，並且獲得該電流-電壓曲線在該第一參考區域內的多個第一曲線特徵；以及根據該些第一曲線特徵決定該太陽能電池的一缺陷類型。
  2. 如申請專利範圍第1項所述的用於檢測太陽能電池之缺陷的方法，其中該檢測資料包括一電性檢測的一檢測結果與一光學檢測的一檢測結果，並且所述之用於檢測太陽能電池之缺陷的方法更包括：由該檢測裝置的一電流-電壓量測裝置對該太陽能電池進行該電性檢測；以及 由該檢測裝置的一可變波段光學裝置對該太陽能電池進行該光學檢測。
  3. 如申請專利範圍第1項所述的用於檢測太陽能電池之缺陷的方法，更包括：由該檢測裝置提供一檢測環境，以在該檢測環境中對該太陽能電池進行檢測，並且由該檢測裝置控制該檢測環境的溫度與溼度。
  4. 如申請專利範圍第1項所述的用於檢測太陽能電池之缺陷的方法，其中根據該些第一曲線特徵決定該太陽能電池的該缺陷類型之步驟包括：在該電流-電壓曲線上定義一第二參考區域，並且獲得該電流-電壓曲線在該第二參考區域內的多個第二曲線特徵；以及根據該些第一曲線特徵與該些第二曲線特徵決定該太陽能電池的該缺陷類型。
  5. 如申請專利範圍第1項所述的用於檢測太陽能電池之缺陷的方法，其中根據該些第一曲線特徵決定該太陽能電池的該缺陷類型之步驟包括：根據該檢測資料獲得一光電轉換效率-頻譜曲線，其中該光電轉換效率-頻譜曲線呈現該太陽能電池反應於多個不同波長之光線的光電轉換效率；以及根據該些第一曲線特徵與該光電轉換效率-頻譜曲線決定該太陽能電池的該缺陷類型。
  6. 如申請專利範圍第5項所述的用於檢測太陽能電池之缺陷的方法，更包括：根據該檢測資料分別地計算對應該些不同波長之光線的多個有效比例，其中每一該些有效比例對應於該些不同波長之光線的其中之一，對應該些不同波長之光線之中一第N個波長之光線的有效比例是藉由將該太陽能電池的多個太陽能晶片之中的多個有效太陽能晶片的數目除以該太陽能電池的該些太陽能晶片的數目來獲得，其中該些有效太陽能晶片反應於該第N個波長之光線的光電轉換效率超過一轉換效率門檻值，其中N為整數，且N不大於該些不同波長之光線的數目；以及根據該些有效比例，獲得該光電轉換效率-頻譜曲線。
  7. 如申請專利範圍第5項所述的用於檢測太陽能電池之缺陷的方法，其中根據該些第一曲線特徵與該光電轉換效率-頻譜曲線決定該太陽能電池的該缺陷類型之步驟包括：根據該些第一曲線特徵決定該太陽能電池的一電性缺陷；根據該光電轉換效率-頻譜曲線決定該太陽能電池的一頻譜缺陷；將該電性缺陷與該頻譜缺陷進行關聯；以及根據該電性缺陷與該頻譜缺陷進行關聯的一關聯結果，決定該太陽能電池的該缺陷類型。
  8. 如申請專利範圍第5項所述的用於檢測太陽能電池之缺陷的方法，其中根據該些第一曲線特徵與該光電轉換效率-頻譜曲線 決定該太陽能電池的該缺陷類型之步驟包括：對該檢測資料執行一曲線擬合(curve fitting)，以產生一電流-電壓擬合曲線方程式；根據該電流-電壓擬合曲線獲得該太陽能電池之等效電路的至少一特性參數；以及根據該些第一曲線特徵、該光電轉換效率-頻譜曲線及該太陽能電池之等效電路的該至少一特性參數，決定該太陽能電池的該缺陷類型。
  9. 如申請專利範圍第8項所述的用於檢測太陽能電池之缺陷的方法，其中根據該些第一曲線特徵、該光電轉換效率-頻譜曲線及該太陽能電池之等效電路的該至少一特性參數，決定該太陽能電池的該缺陷類型之步驟包括：根據該檢測資料計算該太陽能電池對應於多個不同溫度之溫度係數；以及根據該些第一曲線特徵、該光電轉換效率-頻譜曲線、該太陽能電池之等效電路的該至少一特性參數及該太陽能電池對應於該些不同溫度之溫度係數，決定該太陽能電池的該缺陷類型。
  10. 如申請專利範圍第1項所述的用於檢測太陽能電池之缺陷的方法，其中該太陽能電池的該缺陷類型包括一晶格(lattice)缺陷、一非晶格面缺陷、一電極處缺陷、一微裂痕(micro-crack)缺陷、一雜質(inclusion)缺陷、一濕度(moisture)缺陷及一材料缺陷。
  11. 一種用於檢測太陽能電池之缺陷的系統，包括： 一檢測裝置，用以對該太陽能電池進行檢測；以及一分析裝置，耦接該檢測裝置，並且用以自該檢測裝置接收對應於該太陽能電池的一檢測資料，其中該分析裝置包括：一曲線獲得模組，用以根據該檢測資料獲得該太陽能電池的一電流-電壓曲線；一曲線特徵檢查模組，耦接該曲線獲得模組，其中該曲線特徵檢查模組用以在該電流-電壓曲線上定義一第一參考區域，並且獲得該電流-電壓曲線在該第一參考區域內的多個第一曲線特徵；以及一缺陷檢查模組，耦接該曲線特徵檢查模組，並且用以根據該些第一曲線特徵決定該太陽能電池的一缺陷類型。
  12. 如申請專利範圍第11項所述的用於檢測太陽能電池之缺陷的系統，其中該檢測資料包括一電性檢測的一檢測結果與一光學檢測的一檢測結果，並且該檢測裝置包括：一電流-電壓量測裝置，用以對該太陽能電池進行該電性檢測；以及一可變波段光學裝置，用以對該太陽能電池進行該光學檢測。
  13. 如申請專利範圍第11項所述的用於檢測太陽能電池之缺陷的系統，其中該檢測裝置更用以提供一檢測環境，以在該檢測環境中對該太陽能電池進行檢測，並且該檢測裝置更用以控制該檢測環境的溫度與溼度。
  14. 如申請專利範圍第11項所述的用於檢測太陽能電池之缺 陷的系統，其中該曲線獲得模組更用以根據該檢測資料獲得該太陽能電池的一初始電流-電壓曲線，其中該曲線獲得模組更用以判斷該初始電流-電壓曲線是否具有一接觸點缺陷特徵或一封裝缺陷特徵，其中若該初始電流-電壓曲線非具有該接觸點缺陷特徵與該封裝缺陷特徵，該曲線獲得模組更用以對該初始電流-電壓曲線進行一平滑處理，以產生該電流-電壓曲線。
  15. 如申請專利範圍第11項所述的用於檢測太陽能電池之缺陷的系統，其中該曲線特徵檢查模組更用以在該電流-電壓曲線上定義一第二參考區域，並且獲得該電流-電壓曲線在該第二參考區域內的多個第二曲線特徵，其中該缺陷檢查模組更用以根據該些第一曲線特徵與該些第二曲線特徵決定該太陽能電池的該缺陷類型。
  16. 如申請專利範圍第11項所述的用於檢測太陽能電池之缺陷的系統，其中該曲線獲得模組更用以根據該檢測資料獲得一光電轉換效率-頻譜曲線，其中該光電轉換效率-頻譜曲線呈現該太陽能電池反應於多個不同波長之光線的光電轉換效率，其中該缺陷檢查模組更用以根據該些第一曲線特徵與該光電轉換效率-頻譜曲線決定該太陽能電池的該缺陷類型。
  17. 如申請專利範圍第16項所述的用於檢測太陽能電池之缺陷的系統，其中該曲線獲得模組更用以根據該檢測資料分別地計算對應該些不同波長之光線的多個有效比例，其中每一該些有效 比例對應於該些不同波長之光線的其中之一，對應該些不同波長之光線之中一第N個波長之光線的有效比例是藉由將該太陽能電池的多個太陽能晶片之中的多個有效太陽能晶片的數目除以該太陽能電池的該些太陽能晶片的數目來獲得，其中該些有效太陽能晶片反應於該第N個波長之光線的光電轉換效率超過一轉換效率門檻值，其中N為整數，且N不大於該些不同波長之光線的數目，其中該曲線獲得模組更用以根據該些有效比例，獲得該光電轉換效率-頻譜曲線。
  18. 如申請專利範圍第16項所述的用於檢測太陽能電池之缺陷的系統，其中該缺陷檢查模組更用以根據該些第一曲線特徵決定該太陽能電池的一電性缺陷，其中該缺陷檢查模組更用以根據該光電轉換效率-頻譜曲線決定該太陽能電池的一頻譜缺陷，其中該缺陷檢查模組更用以將該電性缺陷與該頻譜缺陷進行關聯，其中該缺陷檢查模組更用以根據該電性缺陷與該頻譜缺陷進行關聯的一關聯結果，決定該太陽能電池的該缺陷類型。
  19. 如申請專利範圍第16項所述的用於檢測太陽能電池之缺陷的系統，更包括：一特性參數計算模組，用以對該檢測資料執行一曲線擬合，以產生一電流-電壓擬合曲線方程式，其中該特性參數計算模組更用以根據該電流-電壓擬合曲線 獲得該太陽能電池之等效電路的至少一特性參數，其中該缺陷檢查模組更用以根據該些第一曲線特徵、該光電轉換效率-頻譜曲線及該太陽能電池之等效電路的該至少一特性參數，決定該太陽能電池的該缺陷類型。
  20. 如申請專利範圍第19項所述的用於檢測太陽能電池之缺陷的系統，更包括：一溫度係數計算模組，用以根據該檢測資料計算該太陽能電池對應於多個不同溫度之溫度係數；以及其中該缺陷檢查模組更用以根據該些第一曲線特徵、該光電轉換效率-頻譜曲線、該太陽能電池之等效電路的該至少一特性參數及該太陽能電池對應於該些不同溫度之溫度係數，決定該太陽能電池的該缺陷類型。
  21. 如申請專利範圍第11項所述的用於檢測太陽能電池之缺陷的系統，其中該太陽能電池的該缺陷類型包括一晶格缺陷、一非晶格面缺陷、一電極處缺陷、一微裂痕缺陷、一雜質缺陷、一濕度缺陷及一材料缺陷。
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