畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）太陽(yáng)能飛機(jī)光發(fā)電板紅外檢測(cè)

1、1.0太陽(yáng)能飛機(jī)光發(fā)電板紅外檢測(cè)摘要：介紹了一種利用半導(dǎo)體電致發(fā)光原理檢測(cè)硅太陽(yáng)電池組件工藝缺陷的設(shè)備，并簡(jiǎn)要分析了工藝缺陷的產(chǎn)生及檢測(cè)原理。利用電致發(fā)光原理，能夠檢測(cè)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(yáng)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(yáng)能飛機(jī)42.1 太陽(yáng)能飛機(jī)簡(jiǎn)介42.2 太陽(yáng)能飛機(jī)的發(fā)展5第三章 太陽(yáng)能飛機(jī)原理53.1 太陽(yáng)能電池板原理53.2 電致發(fā)光原理6第4章 太陽(yáng)能電池紅外檢測(cè)6第5章 太陽(yáng)能電池缺陷種類(lèi)75.1 裂縫75.2 粘帖飾面75.3 對(duì)流熱損失85.5 滲漏8第6章 太陽(yáng)電池缺陷檢測(cè)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(cè)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(chǎng)致發(fā)光126.7 測(cè)試結(jié)果示136.8 其他16第7章 紅外熱像儀檢測(cè)太陽(yáng)能電池綜合缺陷167.1 背景應(yīng)用167.2 太陽(yáng)能電池系統(tǒng)生產(chǎn)及檢測(cè)177.3 案例應(yīng)用187.4 結(jié)論19參考文獻(xiàn)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(yáng)能、風(fēng)能等新能源和可再生能源已被世界各國(guó)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(jì)危機(jī)往往催生重大科技創(chuàng)新和革命。1857年的危機(jī)，推動(dòng)了以電氣革命為標(biāo)志的技術(shù)革命；1929年的危機(jī)，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(biāo)志的第二次技術(shù)革命；當(dāng)前的金融危機(jī)，也必將催生一場(chǎng)新的科技革命太陽(yáng)能、風(fēng)能等新能源革命。 目前超過(guò)90的工業(yè)化太陽(yáng)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(jī)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(jī)械應(yīng)力等都會(huì)造成組件的工藝缺陷。據(jù)估計(jì)，每條組件生產(chǎn)線每年由于缺陷帶來(lái)的直接經(jīng)濟(jì)損失約為60萬(wàn)美元。因此，有效的缺陷檢測(cè)手段和設(shè)備對(duì)提高工藝質(zhì)量非常重要。太陽(yáng)電池的缺陷檢測(cè)

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(cè)和電致發(fā)光檢測(cè)四種。超聲波檢測(cè)法具有無(wú)損、快速的特點(diǎn)，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(shí)長(zhǎng)、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(cè)、靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)，但都需濾除可見(jiàn)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?？紤]到生產(chǎn)線的快速高效要求，電致發(fā)光檢測(cè)法較為適用。本文使用上海太陽(yáng)工程技術(shù)研究中心自主研發(fā)的硅太陽(yáng)電池組件紅外檢測(cè)設(shè)備，可檢測(cè)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(yáng)能飛機(jī)2.1 太陽(yáng)能飛機(jī)簡(jiǎn)介 太陽(yáng)能飛機(jī) 以太陽(yáng)輻射作為推

5、進(jìn)能源的飛機(jī)。太陽(yáng)能飛機(jī)的動(dòng)力裝置由太陽(yáng)能電池組、直流電動(dòng)機(jī)、減速器、螺旋槳和控制裝置組成。由于太陽(yáng)輻射的能量密度小，為了獲得足夠的能量，飛機(jī)上應(yīng)有較大的攝取陽(yáng)光的表面積，以便鋪設(shè)太陽(yáng)電池，因此太陽(yáng)能飛機(jī)的機(jī)翼面積較大。太陽(yáng)能飛機(jī)是上世紀(jì)70年代隨著成本合理的太陽(yáng)能電池的出現(xiàn)而問(wèn)世的，當(dāng)時(shí)只有微型型號(hào)，直到1980年才首次載人飛行，但從來(lái)沒(méi)有進(jìn)行過(guò)載人整夜飛行，而且飛行距離一直較短。如今，“太陽(yáng)脈動(dòng)”計(jì)劃更是吸引了眾多航空愛(ài)好者的目光，因?yàn)槿鹗刻诫U(xiǎn)家將貝特朗皮卡爾計(jì)劃不使用普通燃料而駕駛太陽(yáng)能飛機(jī)進(jìn)行連續(xù)環(huán)球飛行 2.2 太陽(yáng)能飛機(jī)的發(fā)展 太陽(yáng)脈動(dòng)號(hào)70年代末，人力飛機(jī)的發(fā)展積累了制造低速、低

6、翼載、重量輕的飛機(jī)的經(jīng)驗(yàn)。在這一基礎(chǔ)上，美國(guó)在80年代初研制出“太陽(yáng)挑戰(zhàn)者”號(hào)單座太陽(yáng)能飛機(jī)。飛機(jī)翼展14.3米，翼載荷為60帕(6公斤力/米2)，飛機(jī)空重90公斤，機(jī)翼和水平尾翼上表面共有16128 片硅太陽(yáng)電池，在理想陽(yáng)光照射下能輸出3000瓦以上的功率。這架飛機(jī)1981年7月成功地由巴黎飛到英國(guó)，平均時(shí)速54公里，航程290公里。太陽(yáng)能飛機(jī)還處于試驗(yàn)研究階段，它的有效載重和速度都很低。有人提出設(shè)計(jì)一種無(wú)人駕駛的高空、低速遙控太陽(yáng)能飛機(jī)，白天飛行時(shí)利用取得的太陽(yáng)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(yáng)能，可維持長(zhǎng)時(shí)期的飛行。這

7、樣的飛機(jī)可首先用于氣象觀測(cè)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(huì)上，展出了“陽(yáng)光脈動(dòng)”太陽(yáng)能飛機(jī)樣機(jī)?？蒲腥藛T歷時(shí)4年制成了這架太陽(yáng)能飛機(jī)。瑞士探險(xiǎn)家貝特朗皮卡爾2003年提出太陽(yáng)能飛機(jī)環(huán)球飛行構(gòu)想，計(jì)劃駕駛太陽(yáng)能飛機(jī)，經(jīng)過(guò)5次起降實(shí)現(xiàn)環(huán)球晝夜飛行，這一計(jì)劃被命名為“太陽(yáng)脈動(dòng)”。環(huán)球飛行預(yù)計(jì)在2011年開(kāi)始，這將是太陽(yáng)能飛機(jī)歷史上首次載人作晝夜、長(zhǎng)距離飛行 。第3章 太陽(yáng)能飛機(jī)原理3.1 太陽(yáng)能電池板原理太陽(yáng)能電池發(fā)電原理： 太陽(yáng)能電池是一對(duì)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：?jiǎn)尉Ч?，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(guò)程。p型晶體硅經(jīng)過(guò)摻雜磷可得n型硅，形成pn結(jié)。 當(dāng)光線照射太陽(yáng)能電池表面時(shí)，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(shí)，在該電壓的作用下，將會(huì)有電流流過(guò)外部電路產(chǎn)生一定的輸出功率。這個(gè)過(guò)程的實(shí)質(zhì)是：光子能量轉(zhuǎn)換成電能的過(guò)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(jí)躍遷，以光子輻射的形式釋放出能量。即電子可從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，并伴隨著發(fā)射光子的現(xiàn)象。太陽(yáng)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(shí)，內(nèi)部存在一定的勢(shì)壘區(qū)。如加正向偏壓，勢(shì)壘便降低，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)也相應(yīng)減弱。這樣原來(lái)的載流子平衡被打破，繼而發(fā)生載流子的擴(kuò)散，即電子由n區(qū)注入p區(qū)，同時(shí)空穴由p區(qū)注入到i1區(qū)。這些進(jìn)入p區(qū)的電子和進(jìn)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(huì)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(chǎng)致發(fā)光【51。在太陽(yáng)電池中，少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度一般遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于勢(shì)壘寬度，因此電子和空穴通過(guò)勢(shì)壘區(qū)時(shí)囚復(fù)合而消失的幾率很小，它們絕大部分都繼續(xù)向擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散。因此在正向偏壓下，pn結(jié)勢(shì)壘區(qū)和擴(kuò)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(yáng)能電池紅外檢測(cè)

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(gè)原因，其一是紅外儀價(jià)格不菲，不少單位無(wú)力購(gòu)買(mǎi)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(guó)建筑節(jié)能工作的深入和推廣，它的應(yīng)用前景將會(huì)日益凸現(xiàn)。 像儀是利用紅外探測(cè)器和光學(xué)成像物鏡接受被測(cè)目標(biāo)的紅外輻射能量分布圖形反映到紅外探測(cè)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(chǎng)相對(duì)應(yīng)。通俗地講紅外熱像儀就是將物體發(fā)出的不可見(jiàn)紅外能量轉(zhuǎn)變?yōu)榭梢?jiàn)的熱圖像。熱圖像的上面的不同顏色代表被測(cè)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(jiàn)的。絕對(duì)零度以上的所有物體均會(huì)以紅外線的形式輻射熱能到環(huán)境中。 外線和可見(jiàn)光及無(wú)線電波一樣是一種電磁波。紅外線的波長(zhǎng)比可見(jiàn)光長(zhǎng)，比無(wú)線電波短，為0.781000m。按波長(zhǎng)劃分可分為近紅外，中紅外和遠(yuǎn)紅外區(qū)域。這種區(qū)分方法有多種，可能會(huì)稍有區(qū)別。只要物體的溫度高于絕對(duì)零度，由于物體表面的原子和分子運(yùn)動(dòng)會(huì)發(fā)出紅外線能量。 外熱像儀測(cè)試原理是由圖像傳感器(微測(cè)輻射熱儀)探測(cè)出被測(cè)物發(fā)出的紅外線能量，將其轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并用彩色或黑白圖像顯示出來(lái)。 名的普朗克定律表明溫度、波長(zhǎng)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(zhǎng)隨溫度的增加向短波移動(dòng)。根據(jù)斯蒂芬玻耳茲曼定律，當(dāng)溫度變化時(shí)，紅外總能量與絕對(duì)溫度的四次方成正比，當(dāng)溫度有較小的變化時(shí)，會(huì)引起總能量的很大變化。第5章 太陽(yáng)能電池缺陷種類(lèi)5.1 裂縫 由于建筑結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、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(huì)造成開(kāi)口而往往會(huì)造成結(jié)構(gòu)破壞，有時(shí)會(huì)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(guò)常規(guī)的檢測(cè)方法成功的發(fā)現(xiàn)。通過(guò)紅外可以快速清楚的顯示，值得注意的是，由于人眼對(duì)于黑白色的分辨能力最高，有些時(shí)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(lái)砸中汽車(chē)或者行人的

13、時(shí)間偶有發(fā)生，往往造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)危害。如何解決粘貼飾面剝落問(wèn)題已經(jīng)成為許多檢測(cè)單位和管理機(jī)構(gòu)的難題。因?yàn)檫@種問(wèn)題在事故發(fā)生之前，往往沒(méi)有什么征兆。然后這些缺陷往往逃不過(guò)紅外熱像儀的“眼睛”。根據(jù)05年8月2號(hào)解放日?qǐng)?bào)報(bào)道， 通過(guò)紅外熱像儀手段對(duì)建筑結(jié)構(gòu)損傷“望聞、問(wèn)、切”的研究已經(jīng)在上海得以實(shí)踐并取得很好的效果。根據(jù)香港工程質(zhì)量檢測(cè)中心的文獻(xiàn)披露，香港對(duì)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(jìn)行定期檢查。5.3 對(duì)流熱損失 密封連接不良會(huì)造成泄漏，氣密內(nèi)襯層安裝不當(dāng)或損壞往往會(huì)出現(xiàn)規(guī)律性缺陷?？諝夂苋菀椎耐ㄟ^(guò)剛性隔熱體之間的部分。這些缺陷會(huì)引起不好的溫度分布，會(huì)引起房間里空氣

14、產(chǎn)生運(yùn)動(dòng)（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(méi)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(yán)重的因素之一。是氣態(tài)時(shí)，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(lái)源于滲漏或冷凝）會(huì)產(chǎn)生許多問(wèn)題，水可能滲入一個(gè)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(huì)造成雨水的滲入。5.5 滲漏 辦公大樓或者住宅常常會(huì)因?yàn)橥獠坑晁疂B入而造成問(wèn)題。通過(guò)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(guò)早損壞，并引起室內(nèi)空氣污染。滲入點(diǎn)難以確定，因?yàn)樗话凑疹A(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(mén)窗框等等。若圖所示，整個(gè)樓房存在大量的熱橋，找出了熱橋存在的位置。第6章 太陽(yáng)電池缺陷檢測(cè)技術(shù)6.1 缺陷分析.太陽(yáng)電池工藝應(yīng)力：切片、電池制作、焊接、封裝.缺陷2種：可見(jiàn)的、隱蔽的。.

16、使用過(guò)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(jìn)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(cè)手段 6.2 缺陷分析碎片.熱應(yīng)力、機(jī)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(kāi)路性破損 6.3 缺陷分析隱裂.機(jī)械應(yīng)力、熱應(yīng)力.長(zhǎng)度超過(guò)1mm的裂紋將不能承受2400pa（約100mph風(fēng)速）的壓力.裂紋將會(huì)演變?yōu)樗槠?造成開(kāi)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(cè)？6.6 缺陷檢測(cè)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(chǎng)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(duì)經(jīng)過(guò)電池的超聲波進(jìn)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(lì)太陽(yáng)電池發(fā)光通過(guò)濾光以及特殊感光元件采集特定波長(zhǎng)的發(fā)光信號(hào)6.6.4 場(chǎng)致發(fā)光外部電場(chǎng)激發(fā)太陽(yáng)電池6.7 測(cè)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(yáng)電池單片、組件性能測(cè)試；單片光譜響應(yīng)測(cè)試環(huán)境模擬試驗(yàn)?zāi)蛪涸囼?yàn)、絕緣試驗(yàn)反射率、透過(guò)率測(cè)試第7章 紅外熱像儀檢測(cè)太陽(yáng)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(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展變得越來(lái)越稀缺，與此同時(shí)產(chǎn)生的粉塵、co2、so2 對(duì)環(huán)境、大氣造成嚴(yán)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(yùn)含的太陽(yáng)能、地?zé)崮?、風(fēng)能、潮汐能，水能分別如下圖所示。人類(lèi)都已經(jīng)開(kāi)始開(kāi)發(fā)應(yīng)用。從蘊(yùn)能的角度看，太陽(yáng)能無(wú)異是最豐富，最易開(kāi)發(fā)利用的資源。太陽(yáng)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(yáng)能發(fā)電也正蓬勃的發(fā)展起來(lái)，有利于解決地球能源不足和溫室效應(yīng)的問(wèn)題。但是太陽(yáng)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(duì)太陽(yáng)能電池片和組件綜合缺陷檢測(cè)給出紅

19、外檢測(cè)方案。7.2 太陽(yáng)能電池系統(tǒng)生產(chǎn)及檢測(cè)紅外熱像儀檢測(cè)太陽(yáng)能電池綜合缺陷。太陽(yáng)能電池生產(chǎn)過(guò)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(jìn)行電池組件缺陷進(jìn)行測(cè)試，現(xiàn)在主要使用的方法有1、電池板電性能測(cè)試；2、el 隱裂可視化檢測(cè)；3、層壓后紅外檢測(cè)。我們主要介紹紅外檢測(cè)電池板綜合缺陷。當(dāng)太陽(yáng)能電池板通反向電流時(shí)，電池板會(huì)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(guò)紅外熱像儀觀察電池板的熱區(qū)和冷區(qū)來(lái)。通常情況下正常區(qū)域面積較大，過(guò)熱區(qū)域是太陽(yáng)能電池板的缺陷所在，過(guò)冷區(qū)域是太陽(yáng)能電池板的短路區(qū)域。因而過(guò)熱和過(guò)冷都是有問(wèn)題的。7.3