畢業(yè)設(shè)計（論文）太陽能飛機光發(fā)電板紅外檢測

1、1.0太陽能飛機光發(fā)電板紅外檢測摘要：介紹了一種利用半導(dǎo)體電致發(fā)光原理檢測硅太陽電池組件工藝缺陷的設(shè)備，并簡要分析了工藝缺陷的產(chǎn)生及檢測原理。利用電致發(fā)光原理，能夠檢測出虛焊、斷柵、碎片和隱裂四種較明顯的工藝缺陷，具有廣闊的應(yīng)用前景。關(guān)鍵詞：電致發(fā)光，太陽電池，工藝缺陷；死片；斷柵；隱裂目錄第1章 緒論3第2章 太陽能飛機42.1 太陽能飛機簡介42.2 太陽能飛機的發(fā)展5第三章 太陽能飛機原理53.1 太陽能電池板原理53.2 電致發(fā)光原理6第4章 太陽能電池紅外檢測6第5章 太陽能電池缺陷種類75.1 裂縫75.2 粘帖飾面75.3 對流熱損失85.5 滲漏8第6章 太陽電池缺陷檢測技術(shù)9

2、6.1 缺陷分析96.2 缺陷分析碎片96.3 缺陷分析隱裂106.4 缺陷分析斷柵106.5 缺陷分析虛焊116.6 缺陷檢測方法116.6.1 超聲波共振116.6.2 接觸電阻掃描12電池在光照下，柵線與硅表面形成不同電126.6.3 光致發(fā)光126.6.4 場致發(fā)光126.7 測試結(jié)果示136.8 其他16第7章 紅外熱像儀檢測太陽能電池綜合缺陷167.1 背景應(yīng)用167.2 太陽能電池系統(tǒng)生產(chǎn)及檢測177.3 案例應(yīng)用187.4 結(jié)論19參考文獻19第1章 緒論在當(dāng)前全球化石能源資源日益短缺、氣候變化等環(huán)境壓力日漸增大的背景下，太陽能、風(fēng)能等新能源和可再生能源已被世界各國政府作為重要

3、的戰(zhàn)略替代能源大力發(fā)展。全球經(jīng)濟危機往往催生重大科技創(chuàng)新和革命。1857年的危機，推動了以電氣革命為標志的技術(shù)革命；1929年的危機，引發(fā)了第二次世界大戰(zhàn)之后以電子、航空航天和核能技術(shù)突破為標志的第二次技術(shù)革命；當(dāng)前的金融危機，也必將催生一場新的科技革命太陽能、風(fēng)能等新能源革命。 目前超過90的工業(yè)化太陽電池組件采用絲網(wǎng)印刷、高溫?zé)Y(jié)、互聯(lián)、層壓封裝等生產(chǎn)工藝。絲網(wǎng)印刷的機械應(yīng)力、高溫?zé)Y(jié)的熱應(yīng)力、焊接的熱應(yīng)力、層壓封裝的機械應(yīng)力等都會造成組件的工藝缺陷。據(jù)估計，每條組件生產(chǎn)線每年由于缺陷帶來的直接經(jīng)濟損失約為60萬美元。因此，有效的缺陷檢測手段和設(shè)備對提高工藝質(zhì)量非常重要。太陽電池的缺陷檢測

4、手段從原理上分主要有超聲波共振掃描、接觸電阻掃描、光致發(fā)光檢測和電致發(fā)光檢測四種。超聲波檢測法具有無損、快速的特點，但靈敏度不高，適用于硅片和電池片”；接觸電阻掃摘法靈敏度高，但耗時長、有破壞性，僅適用于電池片f2光致發(fā)光法和電致發(fā)光法14i均具有快速、可在線檢測、靈敏度高的優(yōu)點，但都需濾除可見光，其中前者適用于硅片和電池片，后者適用于電池片和組件。考慮到生產(chǎn)線的快速高效要求，電致發(fā)光檢測法較為適用。本文使用上海太陽工程技術(shù)研究中心自主研發(fā)的硅太陽電池組件紅外檢測設(shè)備，可檢測出硅組件虛焊、斷柵、隱裂和碎片四種主要的工藝缺陷。第2章 太陽能飛機2.1 太陽能飛機簡介 太陽能飛機 以太陽輻射作為推

5、進能源的飛機。太陽能飛機的動力裝置由太陽能電池組、直流電動機、減速器、螺旋槳和控制裝置組成。由于太陽輻射的能量密度小，為了獲得足夠的能量，飛機上應(yīng)有較大的攝取陽光的表面積，以便鋪設(shè)太陽電池，因此太陽能飛機的機翼面積較大。太陽能飛機是上世紀70年代隨著成本合理的太陽能電池的出現(xiàn)而問世的，當(dāng)時只有微型型號，直到1980年才首次載人飛行，但從來沒有進行過載人整夜飛行，而且飛行距離一直較短。如今，“太陽脈動”計劃更是吸引了眾多航空愛好者的目光，因為瑞士探險家將貝特朗皮卡爾計劃不使用普通燃料而駕駛太陽能飛機進行連續(xù)環(huán)球飛行 2.2 太陽能飛機的發(fā)展 太陽脈動號70年代末，人力飛機的發(fā)展積累了制造低速、低

6、翼載、重量輕的飛機的經(jīng)驗。在這一基礎(chǔ)上，美國在80年代初研制出“太陽挑戰(zhàn)者”號單座太陽能飛機。飛機翼展14.3米，翼載荷為60帕(6公斤力/米2)，飛機空重90公斤，機翼和水平尾翼上表面共有16128 片硅太陽電池，在理想陽光照射下能輸出3000瓦以上的功率。這架飛機1981年7月成功地由巴黎飛到英國，平均時速54公里，航程290公里。太陽能飛機還處于試驗研究階段，它的有效載重和速度都很低。有人提出設(shè)計一種無人駕駛的高空、低速遙控太陽能飛機，白天飛行時利用取得的太陽輻射能盡量爬高（或貯能于蓄電池內(nèi)），夜間利用高度作滑翔飛行（或由蓄電池取得能量）。這樣依靠取之不盡的太陽能，可維持長時期的飛行。這

7、樣的飛機可首先用于氣象觀測和偵察任務(wù)。 2007年11月5日，在瑞士杜本多夫舉行的新聞發(fā)布會上，展出了“陽光脈動”太陽能飛機樣機?？蒲腥藛T歷時4年制成了這架太陽能飛機。瑞士探險家貝特朗皮卡爾2003年提出太陽能飛機環(huán)球飛行構(gòu)想，計劃駕駛太陽能飛機，經(jīng)過5次起降實現(xiàn)環(huán)球晝夜飛行，這一計劃被命名為“太陽脈動”。環(huán)球飛行預(yù)計在2011年開始，這將是太陽能飛機歷史上首次載人作晝夜、長距離飛行 。第3章 太陽能飛機原理3.1 太陽能電池板原理太陽能電池發(fā)電原理： 太陽能電池是一對光有響應(yīng)并能將光能轉(zhuǎn)換成電力的器件。能產(chǎn)生光伏效應(yīng)的材料有許多種，如：單晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化鎵，硒銦銅等。它們的發(fā)電原理

8、基本相同，現(xiàn)以晶體為例描述光發(fā)電過程。p型晶體硅經(jīng)過摻雜磷可得n型硅，形成pn結(jié)。 當(dāng)光線照射太陽能電池表面時，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量傳遞給了硅原子，使電子發(fā)生了越遷，成為自由電子在pn結(jié)兩側(cè)集聚形成了電位差，當(dāng)外部接通電路時，在該電壓的作用下，將會有電流流過外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個過程的實質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過程。3.2 電致發(fā)光原理同半導(dǎo)體中的電子可以吸收一定能量光子而被激發(fā)一樣，處于激發(fā)態(tài)的電子也可以向較低的能級躍遷，以光子輻射的形式釋放出能量。即電子可從高能級向低能級躍遷，并伴隨著發(fā)射光子的現(xiàn)象。太陽電池本質(zhì)上是以半導(dǎo)體為基底材料制成的大面積p一11結(jié)，在其處

9、于平衡狀態(tài)時，內(nèi)部存在一定的勢壘區(qū)。如加正向偏壓，勢壘便降低，勢壘區(qū)內(nèi)建電場也相應(yīng)減弱。這樣原來的載流子平衡被打破，繼而發(fā)生載流子的擴散，即電子由n區(qū)注入p區(qū)，同時空穴由p區(qū)注入到i1區(qū)。這些進入p區(qū)的電子和進入g區(qū)的空穴都是非平衡少數(shù)載流子，遇到原區(qū)域的多數(shù)載流子會復(fù)合發(fā)光。這就是半導(dǎo)體電致發(fā)光(el)現(xiàn)象，又稱場致發(fā)光【51。在太陽電池中，少子的擴散長度一般遠遠大于勢壘寬度，因此電子和空穴通過勢壘區(qū)時囚復(fù)合而消失的幾率很小，它們絕大部分都繼續(xù)向擴散區(qū)擴散。因此在正向偏壓下，pn結(jié)勢壘區(qū)和擴散區(qū)被注入了少數(shù)載流子。這些非平衡少數(shù)載流子不斷與多數(shù)載流子復(fù)合發(fā)出光子。第4章 太陽能電池紅外檢測

10、用在電力行業(yè)，在建筑領(lǐng)域的使用還是最近幾年的事，所以到目前為止，建筑領(lǐng)域裝備紅外熱像儀的單位并不多，其中有兩個原因，其一是紅外儀價格不菲，不少單位無力購買該昂貴的儀器；其二是這種設(shè)備使用技術(shù)較復(fù)雜，目前在建筑行業(yè)使用面還不大。但隨著全國建筑節(jié)能工作的深入和推廣，它的應(yīng)用前景將會日益凸現(xiàn)。 像儀是利用紅外探測器和光學(xué)成像物鏡接受被測目標的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測器的光敏元件上，從而獲得紅外熱像圖，這種熱像圖與物體表面的熱分布場相對應(yīng)。通俗地講紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢姷臒釄D像。熱圖像的上面的不同顏色代表被測物體的不同溫度。用亮表示溫度高，暗表示溫度低?；蛴门?/p>

11、冷色表示溫度高低。 外位于電磁光譜中的一段，紅外線是肉眼不能看見的。絕對零度以上的所有物體均會以紅外線的形式輻射熱能到環(huán)境中。 外線和可見光及無線電波一樣是一種電磁波。紅外線的波長比可見光長，比無線電波短，為0.781000m。按波長劃分可分為近紅外，中紅外和遠紅外區(qū)域。這種區(qū)分方法有多種，可能會稍有區(qū)別。只要物體的溫度高于絕對零度，由于物體表面的原子和分子運動會發(fā)出紅外線能量。 外熱像儀測試原理是由圖像傳感器(微測輻射熱儀)探測出被測物發(fā)出的紅外線能量，將其轉(zhuǎn)換成電信號，并用彩色或黑白圖像顯示出來。 名的普朗克定律表明溫度、波長和能量之間的關(guān)系存在一定的關(guān)系，紅外總能量隨溫度的增加而迅速增加

12、；峰值波長隨溫度的增加向短波移動。根據(jù)斯蒂芬玻耳茲曼定律，當(dāng)溫度變化時，紅外總能量與絕對溫度的四次方成正比，當(dāng)溫度有較小的變化時，會引起總能量的很大變化。第5章 太陽能電池缺陷種類5.1 裂縫 由于建筑結(jié)構(gòu)運動、或者使用了不合格的水泥混凝土材料都可以可能引起的砌墻體裂縫，也會造成開口而往往會造成結(jié)構(gòu)破壞，有時會導(dǎo)致雨水滲入從而引起更大的麻煩，這些隱藏的缺陷很難通過常規(guī)的檢測方法成功的發(fā)現(xiàn)。通過紅外可以快速清楚的顯示，值得注意的是，由于人眼對于黑白色的分辨能力最高，有些時候采用黑白的模式，可以更好的效果.5.2 粘帖飾面 貼飾面由于粘貼不良，容易造成滲水甚至剝落。粘貼飾面掉下來砸中汽車或者行人的

13、時間偶有發(fā)生，往往造成嚴重的經(jīng)濟和社會危害。如何解決粘貼飾面剝落問題已經(jīng)成為許多檢測單位和管理機構(gòu)的難題。因為這種問題在事故發(fā)生之前，往往沒有什么征兆。然后這些缺陷往往逃不過紅外熱像儀的“眼睛”。根據(jù)05年8月2號解放日報報道， 通過紅外熱像儀手段對建筑結(jié)構(gòu)損傷“望聞、問、切”的研究已經(jīng)在上海得以實踐并取得很好的效果。根據(jù)香港工程質(zhì)量檢測中心的文獻披露，香港對許多重要建筑物的粘帖飾面都已經(jīng)成功的使用紅外熱像儀進行定期檢查。5.3 對流熱損失 密封連接不良會造成泄漏，氣密內(nèi)襯層安裝不當(dāng)或損壞往往會出現(xiàn)規(guī)律性缺陷?？諝夂苋菀椎耐ㄟ^剛性隔熱體之間的部分。這些缺陷會引起不好的溫度分布，會引起房間里空氣

14、產(chǎn)生運動（氣流），從而引起局部溫度降低而增加能耗和塵土的沉降。泄漏路徑比較復(fù)雜，沒有紅外成像儀很難發(fā)現(xiàn)5.4 受潮 受潮恐怕是影響建筑物整體性最為嚴重的因素之一。是氣態(tài)時，是空氣和建筑材料中必要且有用的組成部分。然而一旦成為液態(tài)或者固態(tài)，將產(chǎn)生不少麻煩。受潮的原因可能根源于滲漏、冷凝或建筑材料釋放的濕氣。受潮（來源于滲漏或冷凝）會產(chǎn)生許多問題，水可能滲入一個小的裂縫，然后滯留在不滲透水的建筑材料中。磚和混凝土中未粘合好的區(qū)域往往造成磚墻體中積水和氣體泄漏。使用不合格的混凝土造成也會造成雨水的滲入。5.5 滲漏 辦公大樓或者住宅常常會因為外部雨水滲入而造成問題。通過常規(guī)辦法去尋找滲漏源和滲漏路徑

15、往往不能成功。滲水破壞是持續(xù)的，造成建筑材料、設(shè)備和裝飾家具的過早損壞，并引起室內(nèi)空氣污染。滲入點難以確定，因為水往往不按照預(yù)想的路徑滲入。肉眼看不到任何滲水痕跡，借助于紅外熱像儀，可以清楚的發(fā)現(xiàn)滲水并找到滲漏源。5.6 熱橋 熱橋是建筑結(jié)構(gòu)中由于傳熱系數(shù)較大而引起的熱傳導(dǎo)路徑，如墻內(nèi)的金屬、混凝土或鋼筋混凝土的梁、柱、板和肋，預(yù)制保溫中的肋條，外保溫墻體中為固定保溫板加設(shè)的金屬錨固件、內(nèi)保溫層中設(shè)置的龍骨、門窗框等等。若圖所示，整個樓房存在大量的熱橋，找出了熱橋存在的位置。第6章 太陽電池缺陷檢測技術(shù)6.1 缺陷分析.太陽電池工藝應(yīng)力：切片、電池制作、焊接、封裝.缺陷2種：可見的、隱蔽的。.

16、使用過程中，缺陷的變化。.相同原材料的組件為何功率差異很大？.如何保證光伏組件的25年壽命？.如何改進組件生產(chǎn)工藝？.微觀狀態(tài)如何？.迫切需要有效的微觀缺陷檢測手段 6.2 缺陷分析碎片.熱應(yīng)力、機械應(yīng)力作用不均勻.損失功率.可導(dǎo)致主柵線斷裂，造成開路性破損 6.3 缺陷分析隱裂.機械應(yīng)力、熱應(yīng)力.長度超過1mm的裂紋將不能承受2400pa（約100mph風(fēng)速）的壓力.裂紋將會演變?yōu)樗槠?造成開路性破損 6.4 缺陷分析斷柵.絲網(wǎng)印刷質(zhì)量不佳.收集效率降低.影響光譜響應(yīng)，降低轉(zhuǎn)換效率 6.5 缺陷分析虛焊.電極焊接失效.造成轉(zhuǎn)換效率的大幅損失 這些缺陷如何檢測？6.6 缺陷檢測方法超聲波共振裂

17、紋接觸電阻掃描電阻率不均勻、斷柵光致發(fā)光隱裂、電阻率不均勻場致發(fā)光隱裂、虛焊、碎片、斷柵、電阻率不均勻6.6.1 超聲波共振對經(jīng)過電池的超聲波進行特定的頻率掃描 6.6.2 接觸電阻掃描電池在光照下，柵線與硅表面形成不同電6.6.3 光致發(fā)光外部光源激勵太陽電池發(fā)光通過濾光以及特殊感光元件采集特定波長的發(fā)光信號6.6.4 場致發(fā)光外部電場激發(fā)太陽電池6.7 測試結(jié)果示隱裂 隱裂導(dǎo)致碎片 隱裂、碎片和虛焊 斷柵 電阻率不均勻 微觀缺陷綜合 6.8 其他各種太陽電池單片、組件性能測試；單片光譜響應(yīng)測試環(huán)境模擬試驗?zāi)蛪涸囼灐⒔^緣試驗反射率、透過率測試第7章 紅外熱像儀檢測太陽能電池綜合缺陷7.1 背

18、景應(yīng)用石油、天然氣、煤炭等礦產(chǎn)資源隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展變得越來越稀缺，與此同時產(chǎn)生的粉塵、co2、so2 對環(huán)境、大氣造成嚴重的破壞。因而尋找新的潔凈能源改善現(xiàn)有能源架構(gòu)就非常重要和緊迫了。調(diào)查研究表明，地球上每年蘊含的太陽能、地?zé)崮堋L(fēng)能、潮汐能，水能分別如下圖所示。人類都已經(jīng)開始開發(fā)應(yīng)用。從蘊能的角度看，太陽能無異是最豐富，最易開發(fā)利用的資源。太陽能熱水器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到地球回歸線以內(nèi)的廣大地區(qū)，而太陽能發(fā)電也正蓬勃的發(fā)展起來，有利于解決地球能源不足和溫室效應(yīng)的問題。但是太陽能發(fā)電也存在轉(zhuǎn)換效率低，生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)工藝復(fù)雜等諸多因素困擾。今天我們就是要針對太陽能電池片和組件綜合缺陷檢測給出紅

19、外檢測方案。7.2 太陽能電池系統(tǒng)生產(chǎn)及檢測紅外熱像儀檢測太陽能電池綜合缺陷。太陽能電池生產(chǎn)過程如下圖所示，在組裝環(huán)節(jié)，我們使用電池片pv cell 焊接、層壓成為組件modules。在出廠前需要進行電池組件缺陷進行測試，現(xiàn)在主要使用的方法有1、電池板電性能測試；2、el 隱裂可視化檢測；3、層壓后紅外檢測。我們主要介紹紅外檢測電池板綜合缺陷。當(dāng)太陽能電池板通反向電流時，電池板會發(fā)熱，電池板缺陷部分阻抗比較大，所以發(fā)熱量也大，我們就是通過紅外熱像儀觀察電池板的熱區(qū)和冷區(qū)來。通常情況下正常區(qū)域面積較大，過熱區(qū)域是太陽能電池板的缺陷所在，過冷區(qū)域是太陽能電池板的短路區(qū)域。因而過熱和過冷都是有問題的。7.3