專利名稱：用于探測光伏裝置中的缺陷的光子成像系統(tǒng)及其方法
技術(shù)領(lǐng)域：
一般來說，本發(fā)明涉及光伏裝置，更具體來說，涉及用于探測光伏電池、模塊中的缺陷的成像系統(tǒng)及其方法。
背景技術(shù)：
太陽能被認(rèn)為是相對其它形式的能量的替代能源。太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)用于將太陽能轉(zhuǎn)換成電能。太陽能轉(zhuǎn)換系統(tǒng)通常包括光伏模塊、光伏電池或太陽能電池，它們將太陽能轉(zhuǎn)換成電能，以供直接使用或者供存儲和以后使用。太陽能到電能的轉(zhuǎn)換包括在太陽能電池接收光、如太陽光；將太陽光吸收到太陽能電池中；生成和分離正、負(fù)電荷，從而在太陽能電池中創(chuàng)建電壓；以及通過耦合到太陽能電池的端子收集和傳遞電荷。在太陽能模塊制造線中，識別例如薄膜光伏模塊等太陽能裝置中的局部缺陷、熱點(diǎn)等等是有幫助的，以便預(yù)測太陽能模塊是否易于退化或者太陽能模塊是否會(huì)出故障。用于太陽能模塊的常規(guī)診斷方法涉及將成品太陽能模塊暴露在校準(zhǔn)到太陽光強(qiáng)度的光源下， 并且然后測量作為所施加電壓的函數(shù)的電流。這種常規(guī)技術(shù)提供與太陽能模塊的功率轉(zhuǎn)換效率相關(guān)的信息，但沒有提供與太陽能模塊的可靠性有關(guān)的任何信息。此外，對于光源的操作消耗大量電力。希望具有更有效的系統(tǒng)和方法來識別光伏裝置、如薄膜光伏模塊中的缺陷。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示范實(shí)施例，該方法包括經(jīng)由電流源將電流提供給至少一個(gè)光伏裝置，并且經(jīng)由輻射探測器(radiation detector)來探測來自至少一個(gè)光伏裝置的發(fā)射光子輻射。該方法還包括將對應(yīng)于所探測的發(fā)射光子輻射的信號從輻射探測器輸出到處理器裝置，以及經(jīng)由處理器裝置來處理與所探測的發(fā)射光子輻射對應(yīng)的信號，以便生成一個(gè)或多個(gè)二維圖像。該方法還包括分析一個(gè)或多個(gè)二維光子圖像，以便確定至少一個(gè)光伏裝置中的至少一個(gè)缺陷。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范實(shí)施例，一種系統(tǒng)包括電流源，它耦合到至少一個(gè)光伏裝置，并且配置成將電流提供給至少一個(gè)光伏裝置。輻射探測器配置成探測來自至少一個(gè)光伏裝置的發(fā)射光子輻射，并且輸出與所探測的發(fā)射光子輻射對應(yīng)的信號。處理器裝置耦合到輻射探測器，以及配置成接收與所探測的發(fā)射光子輻射對應(yīng)的信號，處理該信號以生成一個(gè)或多個(gè)二維光子圖像，并且分析一個(gè)或多個(gè)二維光子圖像以確定至少一個(gè)光伏裝置中的至少一個(gè)缺陷。根據(jù)本發(fā)明的另一個(gè)示范實(shí)施例，公開一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，它使處理器裝置能夠確定至少一個(gè)光伏裝置中的至少一個(gè)缺陷。


通過參照附圖閱讀以下具體實(shí)施方式
，會(huì)更好地理解本發(fā)明的這些及其它特征、方面和優(yōu)點(diǎn)，附圖中， 相似符號在整個(gè)附圖中表示相似部件，附圖包括圖1是根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)示范實(shí)施例、配置成診斷例如薄膜光伏模塊等光伏裝置的性能和可靠性的系統(tǒng)的圖解表示；圖2是根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)示范實(shí)施例、配置成診斷例如薄膜光伏模塊等光伏裝置的性能和可靠性的系統(tǒng)的更詳細(xì)圖解表示；圖3是根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)示范實(shí)施例、用于獲得無背景電致發(fā)光圖像(“單純電致發(fā)光圖像”)的雙倍速率電致發(fā)光探測技術(shù)的圖解表示；圖4是根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)示范實(shí)施例的例如薄膜光伏模塊等光伏裝置的圖解表示；圖5是根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)示范實(shí)施例、表示例如薄膜光伏模塊等光伏裝置的整個(gè)表面的二維電致發(fā)光圖像的圖解表示；圖6是根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)示范實(shí)施例、表示例如薄膜光伏模塊等光伏裝置的整個(gè)表面的二維熱圖像的圖解表示；圖7是示出根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)示范實(shí)施例、電致發(fā)光強(qiáng)度相對所施加電流或電壓的變化的圖表；圖8是根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)示范實(shí)施例的二維電致發(fā)光圖像的圖解表示；以及圖9是示出根據(jù)本技術(shù)的一個(gè)示范實(shí)施例、探測例如薄膜光伏模塊等光伏裝置中的一個(gè)或多個(gè)缺陷的方法中涉及的示范步驟的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面詳細(xì)論述，本技術(shù)的實(shí)施例提供一種用于確定例如薄膜光伏模塊等的一個(gè)或多個(gè)光伏裝置中的至少一個(gè)缺陷的診斷方法。該方法包括經(jīng)由電流源將電流提供給至少一個(gè)光伏裝置，并且經(jīng)由輻射探測器來探測來自至少一個(gè)光伏裝置的發(fā)射光子輻射。該方法還包括將對應(yīng)于所探測的發(fā)射光子輻射的信號從輻射探測器輸出到處理器裝置，以及經(jīng)由處理器裝置來處理與所探測的發(fā)射光子輻射對應(yīng)的信號，以便生成一個(gè)或多個(gè)二維光子圖像。該方法還包括分析一個(gè)或多個(gè)二維光子圖像，以便確定至少一個(gè)光伏裝置中的至少一個(gè)缺陷。根據(jù)一個(gè)具體實(shí)施例，還公開一種用于確定一個(gè)或多個(gè)光伏裝置中的至少一個(gè)缺陷的診斷系統(tǒng)。根據(jù)本技術(shù)，可從通過使電流經(jīng)過光伏裝置所得到的二維光子圖像，來確定光伏裝置的性能和最終可靠性。參照圖1，公開一種用于診斷例如薄膜光伏模塊等光伏裝置12的性能和可靠性的系統(tǒng)10。在另一個(gè)實(shí)施例中，光伏裝置12可以是光伏電池。薄膜光伏模塊12可包括碲化鎘基光伏模塊、銅銦鎵硒基光伏模塊、硅基光伏模塊、非晶硅基薄膜光伏模塊等等。本文中應(yīng)當(dāng)注意，還設(shè)想其它適當(dāng)光伏模塊、電池。系統(tǒng)10包括電流源14、輻射探測器16和處理器裝置18。電流源14耦合到薄膜光伏模塊12，并且配置成將電流提供給薄膜光伏模塊12。 在一個(gè)實(shí)施例中，電流源14配置成將電流脈沖提供給薄膜光伏模塊12。在另一個(gè)實(shí)施例中，電流源14配置成將電流提供給薄膜光伏模塊12以供對光伏模塊進(jìn)行焦耳加熱。本領(lǐng)域的技術(shù)人員已知，太陽能模塊是將光轉(zhuǎn)換成電流的裝置。在所示實(shí)施例中， 觀測相反現(xiàn)象，其中薄膜光伏模塊12在電流源經(jīng)過薄膜光伏模塊12時(shí)發(fā)出光。相反現(xiàn)象可稱作“電致發(fā)光”，它是發(fā)光二極管(LED)進(jìn)行工作的過程。換言之，當(dāng)電流經(jīng)過薄膜光伏模塊12時(shí)，薄膜光伏模塊12發(fā)射光子輻射。輻射探測器16配置成探測從薄膜光伏模塊12 所發(fā)射的光子輻射，并且輸出與所探測的發(fā)射光子輻射對應(yīng)的信號。輻射探測器16可以是紅外拍攝裝置、電荷耦合器件等等。本文中應(yīng)當(dāng)注意，還設(shè)想其它適當(dāng)?shù)妮椛涮綔y器。與輻射探測器16的操作同步地操作電流源14。換言之，當(dāng)激活電流源14時(shí)，與電流源14同步地激活輻射探測器16，以便探測來自薄膜光伏模塊12的發(fā)射光子輻射。處理器裝置18耦合到輻射探測器16，以及配置成從輻射探測器16接收與所探測的發(fā)射光子輻射對應(yīng)的信號，并且處理該信號以生成一個(gè)或多個(gè)二維光子圖像。在一個(gè)具體實(shí)施例中，二維光子圖像包括二維電致發(fā)光圖像。在另一個(gè)實(shí)施例中，除了二維電致發(fā)光圖像之外，二維熱圖像也可使用通過對一個(gè)薄膜光伏模塊12進(jìn)行焦耳加熱所發(fā)射的相對較長波長的光子輻射來生成。處理器 裝置18還配置成分析一個(gè)或多個(gè)二維光子圖像，以便確定至少一個(gè)薄膜光伏模塊12中的至少一個(gè)缺陷。缺陷可包括薄膜光伏模塊12的裂紋、 孔洞、分流路徑(shunt)、弱二極管、局部熱點(diǎn)、弱或斷裂電接觸或者它們的組合。處理器裝置18通常包括用于執(zhí)行指示薄膜光伏模塊12中的至少一個(gè)缺陷的計(jì)算的硬件電路和軟件，下面進(jìn)行描述。因此，處理器裝置18可包括一系列電路類型，例如基于微處理器的模塊和專用或通用計(jì)算機(jī)、可編程邏輯控制器或者甚至這種裝置中的邏輯模塊或代碼。在一個(gè)具體實(shí)施例中，處理器裝置18配置成通過將二維電致發(fā)光圖像與包括溫度記錄法、可視檢查、顯微鏡法或者它們的組合等的一種或多種技術(shù)進(jìn)行相關(guān)，來分析二維光子圖像，以便確定薄膜光伏模塊12中的缺陷。在另一個(gè)具體實(shí)施例中，處理器裝置18配置成通過將二維電致發(fā)光圖像與加速使用壽命測試(基于太陽能通量)所生成的結(jié)果進(jìn)行相關(guān)，來分析二維光子圖像，以便更快地確定薄膜光伏模塊12中的缺陷。在又一個(gè)具體實(shí)施例中，處理器裝置18配置成通過將二維電致發(fā)光圖像與薄膜光伏模塊12所具有的一個(gè)或多個(gè)電性能測量參數(shù)(其包括效率、開路電壓(U、短路電流(Isc)、填充因數(shù)或者它們的組合等)進(jìn)行相關(guān)，來分析二維光子圖像，以便確定薄膜光伏模塊12中的缺陷。本文中應(yīng)當(dāng)注意，太陽能電池技術(shù)的上下文中的術(shù)語“填充因數(shù)”定義為實(shí)際最大可得功率與理論可得功率之比(表達(dá)為百分比)。在所示實(shí)施例中，濾光器(optical filter) 20設(shè)置在薄膜光伏模塊12與輻射探測器16之間。濾光器20配置成向輻射探測器16僅傳送能量等于薄膜光伏模塊12的吸收層(圖1中未示出)的帶隙的光子輻射。本文中應(yīng)當(dāng)注意，雖然示出單個(gè)薄膜光伏模塊12， 但是示范系統(tǒng)和技術(shù)可適用于監(jiān)測多個(gè)薄膜光伏模塊。換言之，示范系統(tǒng)可結(jié)合在任何在線制造設(shè)置中，以便監(jiān)測和控制生產(chǎn)線。如前面所述，在所示實(shí)施例和后續(xù)實(shí)施例中，即使論述薄膜光伏模塊，但是系統(tǒng)10也可適用于其它光伏裝置。參照圖2，公開系統(tǒng)10的更詳細(xì)表示。如上所述，電流源14耦合到薄膜光伏模塊 12，并且配置成將電流提供給薄膜光伏模塊12。輻射探測器16配置成探測從薄膜光伏模塊 12所發(fā)射的光子輻射，并且輸出與所探測的發(fā)射光子輻射對應(yīng)的信號。在所示實(shí)施例中，對模塊12施加的電壓偏置波形經(jīng)由信號發(fā)生器17來調(diào)制。信號發(fā)生器17還配置成將同步觸發(fā)信號傳送給輻射探測器16。處理器裝置18經(jīng)由取幀器裝置(frame grabber device) 19 耦合到輻射探測器16。處理器裝置18配置成經(jīng)由取幀器裝置19從輻射探測器16接收與所探測的發(fā)射光子輻射對應(yīng)的信號，并且處理該信號以生成一個(gè)或多個(gè)二維光子圖像。本文中應(yīng)當(dāng)注意，由于由光伏裝置所生成的電致發(fā)光一般很弱并且受到背景散射光的影響，所以輻射探測器16的積分時(shí)間常數(shù)的增加不足以生成單純的電致發(fā)光圖像。在一個(gè)實(shí)施例中，為了獲得無背景電致發(fā)光圖像(“單純的電致發(fā)光圖像”)，使用一種稱作 “鎖定電致發(fā)光探測技術(shù)(lock-in electroluminescence detection technique) ” 的技術(shù)。在這種技術(shù)中，模塊12通過周期性調(diào)制的偏壓來激活，并且實(shí)現(xiàn)了同步電致發(fā)光圖像探測。電致發(fā)光圖像使用低通濾波器13進(jìn)行數(shù)字處理，用于實(shí)現(xiàn)弱信號的探測。鎖定電致發(fā)光強(qiáng)度通過下列關(guān)系來確定
權(quán)利要求
1.一種方法，包括下列步驟經(jīng)由電流源(14)將電流提供給至少一個(gè)光伏裝置(12)；經(jīng)由輻射探測器(16)探測來自所述至少一個(gè)光伏裝置(12)的發(fā)射光子輻射；將對應(yīng)于所探測的發(fā)射光子輻射的信號從所述輻射探測器(16)輸出到處理器裝置 (18)；經(jīng)由所述處理器裝置(18)來處理與所探測的發(fā)射光子輻射對應(yīng)的信號，以便生成一個(gè)或多個(gè)二維光子圖像；以及分析所述一個(gè)或多個(gè)二維光子圖像，以便確定該至少一個(gè)光伏裝置(12)中的至少一個(gè)缺陷。
2.如權(quán)利要求1所述的方法，還包括經(jīng)由設(shè)置在所述至少一個(gè)光伏裝置(12)與所述輻射探測器(16)之間的濾光器(20)，僅將能量等于所述至少一個(gè)光伏裝置(12)的吸收層的帶隙的光子輻射傳送給所述輻射探測器(16)。
3.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，將電流提供給所述至少一個(gè)光伏裝置(12)的步驟包括以較高電流密度對所述至少一個(gè)光伏裝置(12)進(jìn)行正向偏壓。
4.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，將電流提供給至少一個(gè)光伏裝置(12)的步驟包括以較低電流密度對所述至少一個(gè)光伏裝置(12)進(jìn)行正向偏壓。
5.如權(quán)利要求1所述的方法，其中，處理所述信號的步驟包括使用鎖定電致發(fā)光圖像探測技術(shù)來生成無背景二維光子圖像。
6.一種系統(tǒng)(10)，包括電流源(14)，耦合到至少一個(gè)光伏裝置(12)，并且配置成將電流提供給所述至少一個(gè)光伏裝置(12)，輻射探測器(16)，配置成探測來自所述至少一個(gè)光伏裝置(12)的發(fā)射光子輻射，并且輸出與所探測的發(fā)射光子輻射對應(yīng)的信號，以及處理器裝置(18)，耦合到所述輻射探測器(16)，以及配置成接收與所探測的發(fā)射光子輻射對應(yīng)的信號，處理所述信號以生成一個(gè)或多個(gè)二維光子圖像，并且分析所述一個(gè)或多個(gè)二維光子圖像以確定所述至少一個(gè)光伏裝置(12)中的至少一個(gè)缺陷。
7.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)(10)，還包括濾光器(20)，設(shè)置在所述至少一個(gè)光伏裝置(12)與所述輻射探測器(16)之間，并且配置成僅將能量等于所述至少一個(gè)光伏裝置 (12)的吸收層的帶隙的光子輻射傳送給所述輻射探測器(16)。
8.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)(10)，其中，所述處理器裝置(18)配置成分析二維電致發(fā)光圖像強(qiáng)度相對于所施加電壓之間的關(guān)系以生成串聯(lián)電阻地圖、分流電阻地圖或者它們的組合，以便確定所述至少一個(gè)光伏裝置(12)中的至少一個(gè)缺陷。
9.如權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)(10)，其中，所述處理器裝置(18)配置成分析二維電致發(fā)光圖像強(qiáng)度相對于所施加電流之間的關(guān)系以生成串聯(lián)電阻地圖、分流電阻地圖或者它們的組合，以便確定所述至少一個(gè)光伏裝置(12)中的至少一個(gè)缺陷。
10.一種計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)，其使處理器裝置(18)能夠確定至少一個(gè)光伏裝置(12)中的至少一個(gè)缺陷，所述計(jì)算機(jī)可讀介質(zhì)包括用于經(jīng)由輻射探測器(16)探測來自所述至少一個(gè)光伏裝置(12)的發(fā)射光子輻射的例程，用于將對應(yīng)于所探測的發(fā)射光子輻射的信號從所述輻射探測器(16)輸出到處理器裝置(18)的例程；用于經(jīng)由所述處理器裝置(18)來處理與所探測的發(fā)射 光子輻射對應(yīng)的信號以生成一個(gè)或多個(gè)二維光子圖像的例程；以及用于分析所述一個(gè)或多個(gè)二維光子圖像以確定該至少一個(gè)光伏裝置(12)中的至少一個(gè)缺陷的例程。
全文摘要
一種方法包括經(jīng)由電流源(14)將電流提供給至少一個(gè)光伏裝置(12)，并且經(jīng)由輻射探測器(16)來探測來自至少一個(gè)光伏裝置(12)的發(fā)射光子輻射。該方法還包括將對應(yīng)于所探測的發(fā)射光子輻射的信號從輻射探測器(16)輸出到處理器裝置(18)，以及經(jīng)由處理器裝置(18)來處理與所探測的發(fā)射光子輻射對應(yīng)的信號，以便生成一個(gè)或多個(gè)二維光子圖像。該方法還包括分析一個(gè)或多個(gè)二維光子圖像，以便確定至少一個(gè)光伏裝置(12)中的至少一個(gè)缺陷。
文檔編號G01N21/88GK102183523SQ201010623179
公開日2011年9月14日 申請日期2010年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月23日
發(fā)明者F·R·阿邁德, J·W·布雷, K·R·納加卡, O·蘇利馬, 趙日安 申請人:通用電氣公司