Termografické nedestruktivní testování solárních článků

Úvod

V posledních letech význam energie získaných z obnovitelných zdrojů neustále roste. Jedním z typů této energie je energie získaná ze slunce pomocí solárních článků. Jedním z hlavních parametrů solárních článků je jimi dodávaný výkon. Ten může být výrazně snížen výskytem vad. Pro testování článků se využívá především měření VA charakteristiky, které umožňuje odhalit elektrické vlastnosti testovaných článků. Je možné určit, zda je článek vadný či nikoliv. Není však možné vadu prostorově lokalizovat a je velmi obtížně určit o jaký typ vady se jedná. Určení typu vady je klíčové pro nalezení chyby výrobního procesu.

Existují techniky, které jsou schopny vadu prostorově lokalizovat např. elektroluminiscenční měření, fotoluminiscenční měření, UV fluorescenční měření, Lock-in termografické měření. Hlavní nevýhodou většiny metod testování solárních článků je, že se jedná o kontaktní metody. Problém nastává především z toho důvodu, že články jsou velmi křehké a po přiložení kontaktů mohou prasknout. Je zde tedy snaha vytvořit techniku rychlou a zároveň bezkontaktní. To částečně splňuje jedna z variant Lock-in inspekce, která je bezkontaktní. Její nevýhodou je potřeba delších měřících časů (v řádech desítek minut [1,2]) pro úspěšné odhalení vady solárního článku. V tomto příspěvku je kromě Lock-in termografie také představena pulzní termografie, jejíž využití pro testování solárních článků není typické. Tato technika se hojně využívá v jiných odvětvích pro její rychlost a bezkontaktnost.

V tomto příspěvku jsou popsány techniky Lock-in a pulzní termografie, které jsou demonstrovány na inspekci multikrystalických solárních článků. Termografické inspekce jsou doplněny také měřením voltampérových (VA) charakteristik.

Solární článek

Solární článek přeměňuje energii světla na elektrickou energii za využití fotovoltaického jevu. Článek je složen z polovodiče typu P a typu N (Obr. 1). Při dopadu fotonů vhodné vlnové délky, je energie fotonů přeměněna v PN přechodu na energii elektronů. Elektrony z valenčního pásma se přesunou do vodivostního pásma.

Na článku jsou vytvořeny kontakty, které slouží pro sběr těchto elektronů. Kontakt na spodní straně článku je jednolitý a nachází se pod polovodičem typu P (báze). Vrchní kontakty jsou nad polovodičem typu N (emitor). Tyto kontakty mají tvar mřížky. Mřížka brání dopadu záření na článek. Platí, že čím je hustější mřížka, tím lépe odvádí elektrony z článku, ale zároveň se tím zmenšuje jeho aktivní plocha. Mřížka je tvořena hlavními vodiči – busbary a užšími vodiči kolmými na busbary – fingery.

Nad polovodičem typu N se ještě nachází antireflexní vrstva. Na Obr. 1 je ukázáno složení solárního článku.

Existuje více druhů solárních článků. Můžeme je dělit na monokrystalické, multikrystalické (polykrystalické) a tenkovrstvé. Monokrystalické články mají vysokou účinnost a jsou nejdražší. Multikrystalické články disponují dobrým poměrem cena výkon. A tenkovrstvé články bývají levné, mají nízkou účinnost, ale je možné, je vyrábět ohebné.

IRNDT

Nedestruktivní infračervené testování je technika inspekce materiálů a hledání vad pomocí zobrazování teplotního pole. Princip je založen na detekci povrchové radiace v infračervené oblasti spektra.

Při aktivní termografii je testovaný subjekt buzen externím zdrojem např. pomocí flash lampy, halogenové lampy, ultrazvuku, horkého vzduchu, elektrického proudu a dalších. Úkolem těchto zdrojů je dodat do subjektu energii, která způsobí tepelnou odezvu v materiálu, kterou je možné zachytit pomocí infrakamery. Tato odezva může ukázat změny v tepelném přenosu způsobené různými defekty.

Nejčastěji rozlišujeme IRNDT na 4 základní techniky [3], které se liší zejména tím, jak jsou data získána a jak jsou zpracována. Mezi tyto techniky spadá, Pulse Thermography (PT), Lock-in Thermography (LT), Step Heating (SH) a Vibro Thermography (VT) [3].

Pro testování solárních článků je Lock-in termografie často využívána [4,5,6]. Při této technice je energie do vzorku dodána formou opakujících se pulzů. Jestliže je známa perioda a tvar signálu jsme schopni získat data amplitudového signálu a fázového zpoždění. Vyhodnocení pomocí fáze je méně náchylné na odrazy od prostředí, na odchylky v emisivitě materiálu, na nerovnoměrné ozáření vzorku. Pro testování solárních článků lze využít metodu Lock-in v různých modifikacích (způsob buzení, zatížení článku). Pro většinu z nich je nutné, aby byl článek nakontaktován.

Používané Lock-in metody pro testování solárních článků jsou např. tyto [1,7]:

• Článek není nakontaktován - VOC-ILIT (Open Circuit Voltage – Illuminated Lockin Thermography)
• Článek je nakontaktován - JSC-ILIT (Short Circuit Current – Illuminated Lock-in Thermography), RS-ILIT (Series Resistance – Illuminated Lock-in Thermography), DLIT (Dark Lock-in Thermography)

Pro testování článků v tomto příspěvku byla použita metoda, která se v odborné literatuře nazývá VOC-ILIT. To je technika, při které není článek zatížen, je naprázdno. Jedná se o bezkontaktní testování. Hlavní využití této metody je ve fázi výrobního procesu, kdy článek ještě nemá vytvořenou elektrodovou strukturu. Ostatní termografické Lock-in techniky jsou v tomto kroku nepoužitelné, protože potřebují pro svoji funkci, aby byl článek nakontaktován. VOC-ILIT je možné využít i pro články, které již mají elektrodovou strukturu nanesenou. Při této metodě jsou Joulovy ztráty minimální, protože přes mřížku článku (elektrodovou strukturu) neprochází žádný proud. Při osvětlení vznikají v článku nehomogenní teplotní pole způsobené zbytkovými proudy, které jsou nejvyšší při intenzitě srovnatelné se slunečním zářením. Tohoto jevu se dá využít pro zjištění lokální životnosti článku [7].

Při experimentu byla také použita pulzní termografie. Testovaný vzorek se vybudí buzením, které má charakter jednoho pulzu. Většinou se jako zdroj buzení využívají flash lampy. Metoda se dá použít v režimu odrazu i průchodu. Při režimu průchodu snímá infrakamera neosvětlenou část vzorku (vzorek je mezi infrakamerou a zdrojem buzení). Tato konfigurace je vhodná zejména tam, kde jsou vady hlouběji pod povrchem. Nevýhodou je, že se ztrácí možnost vyhodnotit hloubku defektu, což je způsobeno tím, že tepelné vlny cestují stejnou dobu v případě výskytu vady i bez výskytu vady. V režimu odrazu je infrakamera na stejné straně jako zdroj buzení.

Je tedy snímána osvětlená strana. V tomto režimu je možné odhadnout hloubku vady. V oblastech, kde se nachází indikace, se liší tepelná odezva na pulz od oblastí bez indikace.

Měření VA charakteristik

Měřením VA charakteristik se získávají parametry, které popisují solární článek. Standardně se sledují parametry UOC, ISC, FF, PMAX, UMAX, IMAX, n, RS, RSH. Více informací o těchto parametrech lze najít v [8,9]. VA charakteristiku lze měřit za osvětlení a i bez osvětlení. Nevýhodou měření bez osvětlení je to, že cesty proudu se liší při osvětlení článku a při neosvětlení [10]. Typicky článek využíváme, když je osvětlen, proto je běžnější měřit VA charakteristiku při osvětlení, protože hodnoty, které jsou získány, mají vyšší vypovídající hodnotu. Tato část příspěvku pojednává o měření voltampérové charakteristiky při osvětlení.

Typický systém pro měření VA charakteristiky potřebuje pro svoji činnost světelný zdroj. Využívá se buď přirozeného slunečního záření, nebo umělého zdroje osvětlení. Dalšími částmi je modul, který měří a udržuje teplotu dle požadavku testu a systém pro sběr hodnot VA charakteristiky. Charakteristika se měří tak, že dochází ke změně napětí či proudu, která je způsobená změnou hodnoty elektronické zátěže nebo elektrického zdroje [11]. Přístroj bývá také vybaven referenčním solárním článkem, který slouží k měření intenzity osvětlení.

Popis experimentu

Cílem experimentu bylo otestovat možnost využití pulsní termografie pro testování solárních článků. Tato metoda byla porovnávána s Lock-in termografií, která se pro testování článků hojně využívá. Experiment byl proveden na multikrystalických solárních článcích. Výsledky IRNDT testování jsou demonstrovány na třech článcích (článek 1 až 3). Aby bylo možné ověřit, zda jsou měřicí metody schopny zachytit vady, byly na článek 1 a 2 laserem SPI G3-HS 20 W se skenovací hlavou Scancube 10 s ftheta objektivem (f=160 mm) vytvořeny umělé vady. Pro vytvoření vad byl použit veškerý výkon laseru, délka pulzu 200 ns, rychlost 100 mm/s a skenovací frekvence 25 kHz.

Na článek 1 byla vytvořena vada, která na čtyřech místech přerušuje busbary (hlavní vodiče), které mají za úkol spolu s fingery odvedení elektronů z článků. Lze tedy očekávat výrazné zhoršení elektrických parametrů článku. Geometrické umístění vad je naznačeno na Obr. 2. Aby bylo zjištěno, zda vytvořené vady mají skutečně vliv na elektrické parametry článku, byly změřeny i VA charakteristiky. Termografická měření i měření VA charakteristik byly provedeny na článcích v původním stavu (bez vad) a po vytvoření vad. Po změření VA charakteristik článku 1 došlo při jeho vyjmutí z měřicího zařízení k ulomení části článku (u pravého spodního rohu). Toto odlomení lze indikovat pouze u IRNDT měření článků s umělými vadami. Všechna předchozí měření nejsou ovlivněna.

Vady vytvořené na článek 2 přerušují fingery. Jedná se opět o narušení mřížky, která se stará o odvedení elektronů. Umístění vad je ukázáno na Obr. 2. Oblast mezi těmito vadami je odpojena od zbytku článku. Dá se očekávat výrazné zhoršení elektrických parametrů článku. Pro zjištění, jak vytvořené vady ovlivňují elektrické vlastnosti článku, byly změřeny jeho VA charakteristiky. Termografická měření i měření VA charakteristik byly provedeny na článcích v původním stavu (bez vad) a po vytvoření vad.

Na článek 3 nebyla laserem vytvořená žádná vada. Na jeho zadní straně se nacházela nehomogenita ve formě tmavší oblasti. Testování článku 3 bylo zaměřeno na nalezení této nehomogenity.

Termografická měření byla provedena infrakamerou Flir SC7650E. Byly použity techniky Flash Pulse a LED Lock-in. Články byly při použití metody Flash Pulse vybuzeny flash lampou o výkonu 6 kJ. Vzorkovací frekvence kamery byla 100 Hz a celé měření trvalo 10 s. Při použití LED Lock-in bylo zdrojem buzení pole 196 LED diod různých vlnových délek, s celkovým výkonem 1,2 W. Buzení mělo tvar periodicky se opakujících pulzů sinusového tvaru o délce 3 s. Vzorkovací frekvence kamery byla 50 Hz a celé měření trvalo 7 minut.

Pro měření VA charakteristik bylo použito experimentální zařízení, které jako zdroj osvětlení využívalo pole LED diod (stejné jako při LED Lock-in inspekci). Všechny VA charakteristiky byly změřeny při intenzitě osvětlení 80 W/m². Použitý zdroj nesplňoval podmínky dle STC (Standard Test Condition-IEC 60904-3). Při měření nebylo dodrženo spektrum světelného zdroje (AM 1,5G) a intenzita osvětlení (1000 W/m²). Měření VA charakteristik v tomto experimentu sloužilo k porovnání toho, zda a jaký vliv mají uměle vytvořené vady na elektrické parametry článku. Tyto charakteristiky jsou neporovnatelné s VA charakteristikami, které by byly změřeny při splnění podmínek STC.

Výsledky testování

Výsledky IRNDT testování článku 1 a 2 jsou na Obr. 3.

Při všech použitých IRNDT inspekcích lze velmi jasně zachytit busbary. Při LED Lockin inspekci nepoškozeného článku 1 lze v jeho levé části zachytit nevýrazné bodové indikace. Tyto indikace nemají zásadní vliv na elektrické vlastnosti článku. Při inspekci uměle poškozeného článku lze při metodě Flash Pulse i LED Lock-in zachytit uměle vytvořené vady. Indikace vad je výrazně zřetelnější při využití metody LED Lock-in. V pravém dolním rohu si lze při využití obou IRNDT technik povšimnout odlomení části článku (pravý spodní roh). Z VA charakteristik (Obr. 4) lze zjistit, že po vytvoření vad došlo k výraznému zhoršení elektrických parametrů článku. Došlo ke zřetelnému snížení maximálního výkonu článku (z 363 mW na 194 mW).

Při inspekci nepoškozeného článku 2 lze při využití LED Lock-in vidět u levého busbaru dole bodovou indikaci. Tato indikace není zachycena při využití Flash Pulse inspekce. Dle provedené VA charakteristiky nemá tato indikace zásadní vliv na elektrické vlastnosti článku. Uměle vytvořené vady jsou indikovány při obou použitých IRNDT metodách. Indikace je výraznější při LED Lock-in inspekci. Uměle vytvořené vady mají zásadní vliv na elektrické parametry článku. Došlo ke snížení maximálního výkonu (z 356 mW na 148 mW).

IRNDT inspekce a fotografie článku 3 jsou na Obr. 5. Na fotografii zadní strany článku 3 je patrná nehomogenita. Při LED Lock-in inspekci nelze tuto nehomogenitu indikovat. Při využití metody Flash Pulse je vidět velmi výrazně. Z tohoto výsledku se jeví tato metoda použitelná pro zachycení tohoto typu vad.

Shrnutí vlastností metod

Výsledky metod Flash Pulse a LED Lock-in se liší především kvůli charakteru buzení a použitému zdroji osvětlení. Při LED Lock-in inspekci jsou výsledky ovlivněny, zbytkovými proudy, které vytvoří dostatečnou změnu v tepelném přenosu, kterou je možné zachytit infrakamerou. Dostatečná odezva vzniká díky vhodnému spektru a intenzitě osvětlení použitého zdroje a díky delší době zatěžování článku. Při Flash Pulse inspekci vznikají také proudy. V použité konfiguraci (doba záblesku, použitá flash lampa) však nejsou dostatečné pro vytvoření dostačené tepelné odezvy. Při Flash Pulse metodě je výsledek ovlivněn prostupem tepla článkem způsobený přímo zdrojem buzení. Výsledek je prakticky neovlivněn fotovoltaickým jevem.

Závěr

V příspěvku byly představeny dvě techniky aktivní termografie. Bylo demonstrováno využití metody Flash Pulse a LED Lock-in pro testování solárních článků. Experimenty byly provedeny na multikrystalických solárních článcích. Byly ukázány výsledky 3 experimentů, se vzorky poškozenými laserovým působením, které simulovalo přerušení busbaru, fingerů a vzorek bez laserového poškození s nehomogenitou na zadní straně článku.

Lock-in termografie je pro testování solárních článků často využívána [1,4,5] a v tomto příspěvku byla prokázána její vhodnost. Při LED Lock-in inspekci bylo možné zachytit všechny laserem vytvořené vady. Nehomogenita detekovaná na zadní straně článku nebyla indikována. Délka měření v našem experimentu se při LED Lock-in inspekci pohybovala v řádech minut. Podobné měřicí časy jsou uváděny také v ostatních zdrojích [1,2]. Z tohoto důvodu se jedná o metodu nevhodnou pro sériové testování článků. Indikace laserem vytvořených vad při Flash Pulse inspekci nebyly tak výrazné jako při použití LED Lock-in inspekce. Nehomogenita na zadní straně článku byla však velmi jasně indikována.

Poděkování
Tento výsledek vznikl v rámci projektu CENTEM, reg. Č. CZ.1.05/2.1.00/03.0088, který je spolufinancován z ERDF v rámci programu MŠMT OP VAVpl, a v jeho navazující fázi udržitelnosti je podpořen projektem CENTEM PLUS (LO1402) financovaného v rámci programu MŠMT NPU I a také v rámci projektu SGS-2016-005.

Použitá literatura:
[1] BREITENSTEIN, Otwin. Illuminated versus dark lock-in thermography investigations of solar cells. Int. J. Nanoparticles [online]. 2013, 6(June 2012), 81–92. ISSN 17532507. Dostupné z: doi:10.1504/IJNP.2013.054983
[2] HUTH, S, Otwin BREITENSTEIN, A. HUBER, D. DANTZ, U. LAMBERT a F. ALTMANN. Lock-In IR-Thermography – A Novel Tool for Material and Device Characterization. Solid State Phenomena [online]. 2002, 82–84, 741–746. ISSN 1662-9779. Dostupné z:
doi:10.4028/www.scientific.net/SSP.82-84.741 
[3] LAAKSO, Petri, Henrikki PANTSAR, Heikki LEINONEN a Aino HELLE. Preliminary study of corrosion and wear properties of laser color marked stainless steel. In: W. GUO, Z. B. WANG, L. LI, Z. LIU, B. LUK’YANCHUK a D. J. WHITEHEAD, ed. ICALEO 2008 - 27th International Congress on Applications of Lasers and Electro-Optics. Temecula: LIA, 2008, s. 212–221. ISBN 0912035129, 978-0912035123.
[4] BAUER, Jan, Otwin BREITENSTEIN, Jan-Martin WAGNER, Max PLANCK a Microstructure PHYSICS. Lock-in Thermography

Autor:

Lukáš MUZIKA, Michal ŠVANTNER
University of West Bohemia

Článek byl zveřejněn ve sborníku konference DEFEKTOSKOPIE 2017. 

Celý článek včetně fotografií naleznete ZDE.

Autoři

• Muzika Lukáš
• Švantner Michal