TWI628910B - 太陽電池之電性檢測方法 - Google Patents

太陽電池之電性檢測方法 Download PDF

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李岳穆
陳俊亦
施圳豪
洪慧芬
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Abstract

本發明揭示一種太陽電池之電性檢測方法，其步驟係包含提供一電壓 及一電流至一太陽電池，激發該太陽電池而獲得一光線；過濾該光線而獲得一預設波長光線；以及量測該預設波長光線之一光功率；該電性檢測方法以低成本裝置取代習知太陽光模擬器，除可節省昂貴的置備設備費用及濾片調校與更換燈泡之維護費用，更進一步整合太陽電池之缺陷檢測流程，提升效率。

Description

太陽電池之電性檢測方法
本發明係關於一種太陽電池之檢測方法，尤指用於太陽電池之電性檢測。
21世紀為科技迅速發展的世代，不論工業或民生，均朝向自動化發展，相對而言，全球對於電力之仰賴度及需求將越來越高，然而，電力耗竭將是已發展國家及發展中國家須面臨的課題，開發再生能源之策略也因應而生。
太陽能發電係目前已開發之主要再生能源之一，其係利用太陽電池(solar cell)接收太陽光而轉換為電能；太陽電池係由p型半導體及n型半導體接合而構成正極與負極，基於光電效應(Photoelectric Effect)之原理，光子之能量造成半導體材料中正、負電荷分離，產生電子-電洞對，並分別往正極及負極移動而產生電流。太陽電池可依半導體材料種類做區分，分別為單晶矽、多晶矽、非晶矽、III-V族及II-VI族太陽電池，其中，III-V族太陽電池之光電轉換效率最高，因此產業及研究單位致力於優化III-V族太陽電池之效能及製程。
太陽電池之品質優劣決定太陽模組之效能，由於半導體輕薄易碎、製程繁複，容易在製造過程中造成結構缺陷，為了避免造成製程成本浪費，並且提高終端成品良率，太陽電池進行模組化前後，須先執行缺陷檢測，確認電池之品質及效能，即透過外觀觀察及電性檢測以篩選瑕疵品，須檢 測之項目包含材料瑕疵(Material defect)、燒結(Sintering wave)、製程污染(Contamination)、微裂(Micro crack)及線路斷裂(Broken finger)等，其中，材料瑕疵、燒結及製程汙染三項缺陷，將顯著影響太陽電池之光電轉換效率，因此可透過電性檢測篩選。
習知太陽電池電性電性檢測方法，係利用太陽光模擬器(solar simulator)提供近似太陽光譜之光源照射太陽電池，並量測太陽電池產生之電壓及電流值，依據數據篩選太陽電池，因此太陽光模擬器之優劣將直接影響檢測結果；太陽光模擬器依國際標準量測規範作為其等級區分，根據輻射照度、太陽光譜合致度、照射強度均勻性及照射不穩定性等進行分級，此外，目前太陽光模擬器常用燈源為氙氣燈(Xenon lamp)或鹵素燈(Halogen lamp)，雖然其光通量大且與太陽光頻譜分佈接近，但相對需要高壓且穩定的電源供應器維持其效能，導致設備價格昂貴，且燈泡壽命短，尚需定期調校濾片，因而提高檢測成本。
為能降低太陽電池製程成本，並提升太陽電池確效之效率，本發明從降低檢測設備成本著手，建立一種低成本且快速之太陽電池電性檢測方法。
本發明之主要目的，係提供一種太陽電池之電性檢測方法，其透過激發一太陽電池產生一光線進而量測一光功率，取代習知以太陽光模擬器照射太陽電池後量測電壓及電流值，可降低設備成本，並整合太陽電池之缺陷檢驗流程。
為了達到上述之目的，本發明揭示了一種太陽電池之電性檢測方法，其係提供一電壓及一電流至一太陽電池，激發該太陽電池產生一光線， 過濾該光線後獲得一預設波長光線，接著量測該預設波長光線之一光功率，並依該光功率數值為依據判斷該太陽電池之效能，因無須使用太陽光模擬器而減少檢測設備成本，並提高檢測效率。
本發明之一實施例中，其亦揭露該太陽電池係III-V族太陽電池。
本發明之一實施例中，其亦揭露該太陽電池係一單接面或一多接面太陽電池。
本發明之一實施例中，其亦揭露於激發該單接面太陽電池產生光線之步驟中，該光線之波長範圍係介於可見光至近紅外光。
本發明之一實施例中，其亦揭露於激發該多接面太陽電池產生光線之步驟中，該光線之波長範圍係介於可見光至紅外光。
本發明之一實施例中，其亦揭露來自該單接面太陽電池之該預設波長光線之波長係400~1500奈米。
本發明之一實施例中，其亦揭露來自該多接面陽電池之該預設波長光線，係對應於激發一限制電流層所產生光線之波長。
本發明之一實施例中，其亦揭露於過濾該光線之步驟中，係以一光學級濾光片過濾該光線。
本發明之一實施例中，其亦揭露於量測該光功率之步驟中，係以一光功率計量測。
本發明之一實施例中，其亦揭露於激發該太陽電池產生該光線之步驟後，係可進一步以一感光耦合元件(CCD)拍攝一灰階影像。
S10~S14‧‧‧步驟
10‧‧‧檢測裝置
100‧‧‧電源供應器
102‧‧‧電壓
104‧‧‧電流
110‧‧‧承載板
112‧‧‧太陽電池
120‧‧‧光線
122‧‧‧預設波長光線
130‧‧‧濾光片
140‧‧‧光功率計
142‧‧‧光功率
150‧‧‧感光耦合元件
152‧‧‧灰階影像
154‧‧‧灰度
20‧‧‧第一三接面太陽電池
200‧‧‧限制電流層
30‧‧‧第二三接面太陽電池
300‧‧‧限制電流層
第一圖：其係本發明之流程示意圖； 第二圖：其係本發明之檢測裝置示意圖；第三圖：其係本發明之第一實施例方塊示意圖；第四A圖：其係本發明之第一三接面太陽電池示意圖；第四B圖：其係本發明之第二三接面太陽電池示意圖；第五圖：其係本發明之第二實施例方塊示意圖；第六A圖：其係本發明之第一灰階影像圖；第六B圖：其係本發明之標準灰階影像圖；以及第六C圖：其係本發明之第二灰階影像圖。
為使 貴審查委員對本發明之特徵及所達成之功效有更進一步之瞭解與認識，謹佐以較佳之實施例及配合詳細之說明，說明如後：本實施案例提供一種太陽電池之電性檢測方法，取代習知利用太陽光模擬器照射太陽電池而測得電壓及電流值之方法，因而減少檢測設備之置備成本與濾片調校及更換燈源之維護成本，並且加快檢測速度。
太陽電池在封裝前或模組化前，需進行缺陷檢測以排除不良品，缺陷檢測策略包括外觀缺陷檢測及電性檢測；目前，電性檢測之方法，係利用太陽光模擬器照射太陽電池，再量測該太陽電池之電壓及電流值，作為判斷太陽電池效能之依據，然而太陽光模擬器價格高昂且需長期付出維護費用，因此本發明利用電致發光(Electroluminescence,EL)原理，建立太陽電池電性檢測之方法。
電致發光，又稱為場致發光，係因電流或電場通過化學材料，使其產生化學冷光的反應；進一步而言，電致發光係因大量載流子注入半導體材料中，使得電子與電洞發生輻射複合，受激發的電子因而釋放能量產 生光子，即產生化學冷光；本發明即是提供一電壓及一電流至一太陽電池，使該太陽電池發光以進行電性檢測。
太陽電池可依據半導體材料種類做區分，分別為單晶矽、多晶矽、非晶矽、III-V族化合物及II-VI族化合物太陽電池，其中III-V族化合物係由元素周期表中III族的硼(B)、鋁(Al)、鎵(Ga)及銦(In)和V族的氮(N)、磷(P)、砷(As)及銻Sb形成的化合物，主要包括砷化鎵(GaAs)、磷化銦(InP)及氮化镓(GaN)等，並進一步包含單接面及多接面結構，單接面結構係指由砷化鎵/鍺所構成，而多接面結構係指將兩種以上III-V族化合物疊層，常見為磷化銦鎵/砷化鎵之結構，或磷化銦鎵/砷化銦鎵/鍺之結構，多接面結構因將異質材料疊層，而擴大吸收波長範圍，使得太陽電池光使用率更好，因此，多接面結構太陽電池越來越受重視。本發明之實施例係檢測III-V族化合物太陽電池，但不受太陽電池種類限制。
請參閱第一圖，其係本發明之流程示意圖，如圖所示，本發明之太陽電池之電性檢測方法係包含下列步驟：步驟S10：提供一電壓及一電流至一太陽電池，激發該太陽電池產生一光線；步驟S12：過濾該光線，獲得一預設波長光線；以及步驟S14：量測該預設波長光線之一光功率。
請參閱第二圖，其係本發明之檢測裝置示意圖，如圖所示，一檢測裝置10包含一電源供應器100、一承載板110、一太陽電池112、一光線120、一預設波長光線122、一濾光片130及一光功率計140；其中，該太陽電池112係設置於該承載板110之上；該濾光片130係設置於該太陽電池112及該光功率計140之間；而該光線120經該濾光片130過濾而獲得該預設波長光線122。
請參閱第三圖，其係本發明之第一實施例方塊示意圖，如圖所示，本發明之檢測裝置透過該電源供應器100供應一電壓102及一電流104，且透過該光功率計140量測而獲得一光功率142。
接著，將分別就一單接面太陽電池及一三接面太陽電池之電性檢測方法進行說明，請搭配參閱第一圖、第二圖及第三圖，如欲檢測該單接面太陽電池，須執行下述步驟：步驟S10：透過該電源供應器100提供該電壓102及該電流104至該太陽電池112，激發該太陽電池112產生波長範圍介於可見光至近紅外光波段之該光線120；其中，該電源供應器100係一般型電源供應器，額定功率不受其限；步驟S12：透過該濾光片130過濾該光線120，而獲得該預設波長光線122；其中，該濾光片130係光學級濾光片，透光率達80%以上，排除該光線120於過濾過程中造成光損耗問題，提高檢測靈敏度及準確率；而上述之該預設波長光線122係相對應於該光功率計140可量測之波長範圍，意即利用該濾光片130過濾該光線120，僅使欲量測之波段通過該濾光片130，可提昇檢測靈敏度；進一步而言，可見光至近紅外線波長範圍係介於380nm~2000nm，透過該濾光片130過濾光線，使波長400~1500nm之光線穿透；步驟S14：利用該光功率計140量測該預設波長光線122而獲得一光功率142；其中，該光功率計140可量測可見光至近紅外光波段之光線，且該光功率142即代表光強度，用以判斷該太陽電池112效能。
上述之太陽電池電性檢測方法，係先以該檢測裝置10檢測一無結構缺陷且電性效能良好之太陽電池，獲得該光功率142作為一標準數值；後續依據本發明之檢測方法獲得該光功率142，將該光功率142與該標準數值 比對，如該光功率142大於該標準數值，即表示太陽電池之電性效能合格，如該光功率142小於該標準數值，則表示太陽電池之電性效能不佳。
接著，將說明該三接面太陽電池之檢測方法；三接面太陽電池係將三種不同能隙的太陽電池串疊在一起，當產生電流串聯時，將由電流最小的那一層電池決定電池效能，稱之為一限制電流層；請參閱第四A圖及第四B圖，如圖所示，其係本發明之第一三接面太陽電池示意圖及第二三接面太陽電池示意圖，該第一三接面太陽電池20包含一限制電流層200；而該第二三接面太陽電池30包含一限制電流層300。
本實施例即針對該限制電流層進行檢測，該三接面太陽電池與該單接面太陽電池之檢測方法不同在於下述步驟S10及步驟S12，請復參閱第一圖至第四圖，如欲檢測該三接面太陽電池，須執行下述步驟：
步驟S10：透過該電源供應器100提供該電壓102及該電流104至該太陽電池112，激發該太陽電池112產生該光線120；其中，該光線120之波長範圍，取決於該三接面太陽電池之材料類型，包含III-V族中的磷及砷化合物，涵蓋之波長範圍介於可見光至紅外光。
步驟S12：透過該濾光片130過濾該光線120，而獲得該預設波長光線122；進一步而言，該限制電流層200為磷化銦鎵(InGaP)，過濾後之該預設波長光線122之波長為300~700nm；而該限制電流層300為砷化銦鎵(InGaAs)，則過濾後之該預設波長光線122之波長為700~900nm。其他步驟與該單接面太陽電池檢測步驟相同，如此不再贅述。
本發明之太陽電池電性檢測方法，於上述步驟S10激發該太陽電池產生該光線後，亦可利用一感光耦合元件(CCD)，擷取該太陽電池之一灰階影像，以該灰階影像之明暗判斷該太陽電池之效能。
請參閱第五圖，其係本發明之第二實施例方塊示意圖，如圖所示，本發明之檢測裝置透過該電源供應器100供應一電壓102及一電流104，且透過該感光耦合元件150拍攝該灰階影像152，再利用軟體將該灰階影像152二值化，獲得一灰度154。
請參閱第六A~C圖，其係本發明之第一灰階影像、本發明之標準灰階影像及本發明之第二灰階影像；本實施例之檢測方法執行前，係先拍攝無結構缺陷且電性效能良好之太陽電池而獲得一標準灰階影像(如第六B圖)，後續依據本發明之檢測方法所獲得之該灰階影像152，與該標準灰階影像比對亮度，如第六A~C圖所示，第六A圖比該標準灰階影像(第六B圖)暗，即表示其太陽電池之電性效能不佳，第六C圖比該標準灰階影像(第六B圖)亮，即表示太陽電池之電性效能合格。
此外，亦可利用軟體將該灰階影像152二值化獲得該灰度154，如該灰度154較該標準灰階影像之灰度大，即表示太陽電池之電性效能不佳；如該灰度154該標準灰階影像之灰度小，即表示太陽電池之電性效能合格。
本發明之太陽電池電性檢測方法，可於太陽電池封裝前及模組化前進行檢測，除了確保成品品質外，亦能排除晶片製造過程中造成之結構缺陷；亦可於太陽電池模組化後進行檢測，以排除因模組化過程所造成之結構缺陷而影響太陽電池效能。
綜合上述內容可以得知，本發明之太陽電池電性檢測方法，運用低成本之該電源供應器、該濾光片及該光功率計等元件，建立一套電性檢測裝置，取代習知以太陽光模擬器進行電性檢測，節省昂貴的置備設備費用以及濾片調教與更換燈泡之維護費用，降低檢測成本，此外，該太陽電池電性檢測方法透過該光功率值及該灰階影像判斷太陽電池之電性效能，可提高檢測之準確性。
惟以上所述者，僅為本發明之較佳實施例而已，並非用來限定本發明實施之範圍，舉凡依本發明申請專利範圍所述之形狀、構造、特徵及精神所為之均等變化與修飾，均應包括於本發明之申請專利範圍內。

Claims (7)

  1. 一種太陽電池之電性檢測方法，其步驟係包含：提供一電壓及一電流至一太陽電池，激發該太陽電池產生一光線；過濾該光線，獲得一預設波長光線；以及量測該預設波長光線之一光功率；其中該太陽電池為一多接面太陽電池，其更包含一限制電流層，該限制電流層係位於該多接面太陽電池之電流最小之階層，且該限制電流層係決定該太陽電池之效能。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之太陽電池之電性檢測方法，其中該太陽電池係III-V族太陽電池。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之太陽電池之電性檢測方法，其中於激發該多接面太陽電池產生該光線之步驟中，該光線之波長範圍係介於可見光至紅外光。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之太陽電池之電性檢測方法，其中來自該多接面太陽電池之該預設波長光線，係對應於激發該限制電流層所產生光線之波長。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之太陽電池之電性檢測方法，其中於過濾該光線之步驟中，係以一光學級濾光片過濾該光線。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之太陽電池之電性檢測方法，其中於量測該光功率之步驟中，係以一光功率計量測。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之太陽電池之電性檢測方法，其中於激發該太陽電池產生該光線之步驟後，係可進一步以一感光耦合元件(CCD)拍攝一灰階影像。
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