毕业设计论文太阳能飞机光发电板红外检测

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1、1.0太阳能飞机光发电板红外检测摘要：介绍了一种利用半导体电致发光原理检测硅太阳电池组件工艺缺陷的设备，并简要分析了工艺缺陷的产生及检测原理。利用电致发光原理，能够检测出虚焊、断栅、碎片和隐裂四种较明显的工艺缺陷，具有广阔的应用前景。关键词：电致发光，太阳电池，工艺缺陷；死片；断栅；隐裂目录第1章 绪论3第2章 太阳能飞机42.1 太阳能飞机简介42.2 太阳能飞机的发展5第三章 太阳能飞机原理53.1 太阳能电池板原理53.2 电致发光原理6第4章 太阳能电池红外检测6第5章 太阳能电池缺陷种类75.1 裂缝75.2 粘帖饰面75.3 对流热损失85.5 渗漏8第6章 太阳电池缺陷检测技术9

2、6.1 缺陷分析96.2 缺陷分析碎片96.3 缺陷分析隐裂106.4 缺陷分析断栅106.5 缺陷分析虚焊116.6 缺陷检测方法116.6.1 超声波共振116.6.2 接触电阻扫描12电池在光照下，栅线与硅表面形成不同电126.6.3 光致发光126.6.4 场致发光126.7 测试结果示136.8 其他16第7章 红外热像仪检测太阳能电池综合缺陷167.1 背景应用167.2 太阳能电池系统生产及检测177.3 案例应用187.4 结论19参考文献19第1章 绪论在当前全球化石能源资源日益短缺、气候变化等环境压力日渐增大的背景下，太阳能、风能等新能源和可再生能源已被世界各国政府作为重要

3、的战略替代能源大力发展。全球经济危机往往催生重大科技创新和革命。1857年的危机，推动了以电气革命为标志的技术革命；1929年的危机，引发了第二次世界大战之后以电子、航空航天和核能技术突破为标志的第二次技术革命；当前的金融危机，也必将催生一场新的科技革命太阳能、风能等新能源革命。 目前超过90的工业化太阳电池组件采用丝网印刷、高温烧结、互联、层压封装等生产工艺。丝网印刷的机械应力、高温烧结的热应力、焊接的热应力、层压封装的机械应力等都会造成组件的工艺缺陷。据估计，每条组件生产线每年由于缺陷带来的直接经济损失约为60万美元。因此，有效的缺陷检测手段和设备对提高工艺质量非常重要。太阳电池的缺陷检测

4、手段从原理上分主要有超声波共振扫描、接触电阻扫描、光致发光检测和电致发光检测四种。超声波检测法具有无损、快速的特点，但灵敏度不高，适用于硅片和电池片”；接触电阻扫摘法灵敏度高，但耗时长、有破坏性，仅适用于电池片f2光致发光法和电致发光法14I均具有快速、可在线检测、灵敏度高的优点，但都需滤除可见光，其中前者适用于硅片和电池片，后者适用于电池片和组件。考虑到生产线的快速高效要求，电致发光检测法较为适用。本文使用上海太阳工程技术研究中心自主研发的硅太阳电池组件红外检测设备，可检测出硅组件虚焊、断栅、隐裂和碎片四种主要的工艺缺陷。第2章 太阳能飞机2.1 太阳能飞机简介 太阳能飞机 以太阳辐射作为推

5、进能源的飞机。太阳能飞机的动力装置由太阳能电池组、直流电动机、减速器、螺旋桨和控制装置组成。由于太阳辐射的能量密度小，为了获得足够的能量，飞机上应有较大的摄取阳光的表面积，以便铺设太阳电池，因此太阳能飞机的机翼面积较大。太阳能飞机是上世纪70年代随着成本合理的太阳能电池的出现而问世的，当时只有微型型号，直到1980年才首次载人飞行，但从来没有进行过载人整夜飞行，而且飞行距离一直较短。如今，“太阳脉动”计划更是吸引了众多航空爱好者的目光，因为瑞士探险家将贝特朗皮卡尔计划不使用普通燃料而驾驶太阳能飞机进行连续环球飞行 2.2 太阳能飞机的发展 太阳脉动号70年代末，人力飞机的发展积累了制造低速、低

6、翼载、重量轻的飞机的经验。在这一基础上，美国在80年代初研制出“太阳挑战者”号单座太阳能飞机。飞机翼展14.3米，翼载荷为60帕(6公斤力/米2)，飞机空重90公斤，机翼和水平尾翼上表面共有16128 片硅太阳电池，在理想阳光照射下能输出3000瓦以上的功率。这架飞机1981年7月成功地由巴黎飞到英国，平均时速54公里，航程290公里。太阳能飞机还处于试验研究阶段，它的有效载重和速度都很低。有人提出设计一种无人驾驶的高空、低速遥控太阳能飞机，白天飞行时利用取得的太阳辐射能尽量爬高（或贮能于蓄电池内），夜间利用高度作滑翔飞行（或由蓄电池取得能量）。这样依靠取之不尽的太阳能，可维持长时期的飞行。这

7、样的飞机可首先用于气象观测和侦察任务。 2007年11月5日，在瑞士杜本多夫举行的新闻发布会上，展出了“阳光脉动”太阳能飞机样机。科研人员历时4年制成了这架太阳能飞机。瑞士探险家贝特朗皮卡尔2003年提出太阳能飞机环球飞行构想，计划驾驶太阳能飞机，经过5次起降实现环球昼夜飞行，这一计划被命名为“太阳脉动”。环球飞行预计在2011年开始，这将是太阳能飞机历史上首次载人作昼夜、长距离飞行 。第3章 太阳能飞机原理3.1 太阳能电池板原理太阳能电池发电原理： 太阳能电池是一对光有响应并能将光能转换成电力的器件。能产生光伏效应的材料有许多种，如：单晶硅，多晶硅，非晶硅，砷化镓，硒铟铜等。它们的发电原理

8、基本相同，现以晶体为例描述光发电过程。P型晶体硅经过掺杂磷可得N型硅，形成PN结。 当光线照射太阳能电池表面时，一部分光子被硅材料吸收；光子的能量传递给了硅原子，使电子发生了越迁，成为自由电子在PN结两侧集聚形成了电位差，当外部接通电路时，在该电压的作用下，将会有电流流过外部电路产生一定的输出功率。这个过程的实质是：光子能量转换成电能的过程。3.2 电致发光原理同半导体中的电子可以吸收一定能量光子而被激发一样，处于激发态的电子也可以向较低的能级跃迁，以光子辐射的形式释放出能量。即电子可从高能级向低能级跃迁，并伴随着发射光子的现象。太阳电池本质上是以半导体为基底材料制成的大面积p一11结，在其处

9、于平衡状态时，内部存在一定的势垒区。如加正向偏压，势垒便降低，势垒区内建电场也相应减弱。这样原来的载流子平衡被打破，继而发生载流子的扩散，即电子由n区注入p区，同时空穴由p区注入到I1区。这些进入P区的电子和进入g区的空穴都是非平衡少数载流子，遇到原区域的多数载流子会复合发光。这就是半导体电致发光(EL)现象，又称场致发光【51。在太阳电池中，少子的扩散长度一般远远大于势垒宽度，因此电子和空穴通过势垒区时囚复合而消失的几率很小，它们绝大部分都继续向扩散区扩散。因此在正向偏压下，pn结势垒区和扩散区被注入了少数载流子。这些非平衡少数载流子不断与多数载流子复合发出光子。第4章 太阳能电池红外检测

10、用在电力行业，在建筑领域的使用还是最近几年的事，所以到目前为止，建筑领域装备红外热像仪的单位并不多，其中有两个原因，其一是红外仪价格不菲，不少单位无力购买该昂贵的仪器；其二是这种设备使用技术较复杂，目前在建筑行业使用面还不大。但随着全国建筑节能工作的深入和推广，它的应用前景将会日益凸现。 像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲红外热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。用亮表示温度高，暗表示温度低。或用暖色和

11、冷色表示温度高低。 外位于电磁光谱中的一段，红外线是肉眼不能看见的。绝对零度以上的所有物体均会以红外线的形式辐射热能到环境中。 外线和可见光及无线电波一样是一种电磁波。红外线的波长比可见光长，比无线电波短，为0.781000m。按波长划分可分为近红外，中红外和远红外区域。这种区分方法有多种，可能会稍有区别。只要物体的温度高于绝对零度，由于物体表面的原子和分子运动会发出红外线能量。 外热像仪测试原理是由图像传感器(微测辐射热仪)探测出被测物发出的红外线能量，将其转换成电信号，并用彩色或黑白图像显示出来。 名的普朗克定律表明温度、波长和能量之间的关系存在一定的关系，红外总能量随温度的增加而迅速增加

12、；峰值波长随温度的增加向短波移动。根据斯蒂芬玻耳兹曼定律，当温度变化时，红外总能量与绝对温度的四次方成正比，当温度有较小的变化时，会引起总能量的很大变化。第5章 太阳能电池缺陷种类5.1 裂缝 由于建筑结构运动、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墙体裂缝，也会造成开口而往往会造成结构破坏，有时会导致雨水渗入从而引起更大的麻烦，这些隐藏的缺陷很难通过常规的检测方法成功的发现。通过红外可以快速清楚的显示，值得注意的是，由于人眼对于黑白色的分辨能力最高，有些时候采用黑白的模式，可以更好的效果.5.2 粘帖饰面 贴饰面由于粘贴不良，容易造成渗水甚至剥落。粘贴饰面掉下来砸中汽车或者行人的

13、时间偶有发生，往往造成严重的经济和社会危害。如何解决粘贴饰面剥落问题已经成为许多检测单位和管理机构的难题。因为这种问题在事故发生之前，往往没有什么征兆。然后这些缺陷往往逃不过红外热像仪的“眼睛”。根据05年8月2号解放日报报道， 通过红外热像仪手段对建筑结构损伤“望闻、问、切”的研究已经在上海得以实践并取得很好的效果。根据香港工程质量检测中心的文献披露，香港对许多重要建筑物的粘帖饰面都已经成功的使用红外热像仪进行定期检查。5.3 对流热损失 密封连接不良会造成泄漏，气密内衬层安装不当或损坏往往会出现规律性缺陷。空气很容易的通过刚性隔热体之间的部分。这些缺陷会引起不好的温度分布，会引起房间里空气

14、产生运动（气流），从而引起局部温度降低而增加能耗和尘土的沉降。泄漏路径比较复杂，没有红外成像仪很难发现5.4 受潮 受潮恐怕是影响建筑物整体性最为严重的因素之一。是气态时，是空气和建筑材料中必要且有用的组成部分。然而一旦成为液态或者固态，将产生不少麻烦。受潮的原因可能根源于渗漏、冷凝或建筑材料释放的湿气。受潮（来源于渗漏或冷凝）会产生许多问题，水可能渗入一个小的裂缝，然后滞留在不渗透水的建筑材料中。砖和混凝土中未粘合好的区域往往造成砖墙体中积水和气体泄漏。使用不合格的混凝土造成也会造成雨水的渗入。5.5 渗漏 办公大楼或者住宅常常会因为外部雨水渗入而造成问题。通过常规办法去寻找渗漏源和渗漏路径

15、往往不能成功。渗水破坏是持续的，造成建筑材料、设备和装饰家具的过早损坏，并引起室内空气污染。渗入点难以确定，因为水往往不按照预想的路径渗入。肉眼看不到任何渗水痕迹，借助于红外热像仪，可以清楚的发现渗水并找到渗漏源。5.6 热桥 热桥是建筑结构中由于传热系数较大而引起的热传导路径，如墙内的金属、混凝土或钢筋混凝土的梁、柱、板和肋，预制保温中的肋条，外保温墙体中为固定保温板加设的金属锚固件、内保温层中设置的龙骨、门窗框等等。若图所示，整个楼房存在大量的热桥，找出了热桥存在的位置。第6章 太阳电池缺陷检测技术6.1 缺陷分析.太阳电池工艺应力：切片、电池制作、焊接、封装.缺陷2种：可见的、隐蔽的。.

16、使用过程中，缺陷的变化。.相同原材料的组件为何功率差异很大？.如何保证光伏组件的25年寿命？.如何改进组件生产工艺？.微观状态如何？.迫切需要有效的微观缺陷检测手段 6.2 缺陷分析碎片.热应力、机械应力作用不均匀.损失功率.可导致主栅线断裂，造成开路性破损 6.3 缺陷分析隐裂.机械应力、热应力.长度超过1mm的裂纹将不能承受2400Pa（约100mph风速）的压力.裂纹将会演变为碎片,造成开路性破损 6.4 缺陷分析断栅.丝网印刷质量不佳.收集效率降低.影响光谱响应，降低转换效率 6.5 缺陷分析虚焊.电极焊接失效.造成转换效率的大幅损失 这些缺陷如何检测？6.6 缺陷检测方法超声波共振裂

17、纹接触电阻扫描电阻率不均匀、断栅光致发光隐裂、电阻率不均匀场致发光隐裂、虚焊、碎片、断栅、电阻率不均匀6.6.1 超声波共振对经过电池的超声波进行特定的频率扫描 6.6.2 接触电阻扫描电池在光照下，栅线与硅表面形成不同电6.6.3 光致发光外部光源激励太阳电池发光通过滤光以及特殊感光元件采集特定波长的发光信号6.6.4 场致发光外部电场激发太阳电池6.7 测试结果示隐裂 隐裂导致碎片 隐裂、碎片和虚焊 断栅 电阻率不均匀 微观缺陷综合 6.8 其他各种太阳电池单片、组件性能测试；单片光谱响应测试环境模拟试验耐压试验、绝缘试验反射率、透过率测试第7章 红外热像仪检测太阳能电池综合缺陷7.1 背

18、景应用石油、天然气、煤炭等矿产资源随着社会经济的发展变得越来越稀缺，与此同时产生的粉尘、CO2、SO2 对环境、大气造成严重的破坏。因而寻找新的洁净能源改善现有能源架构就非常重要和紧迫了。调查研究表明，地球上每年蕴含的太阳能、地热能、风能、潮汐能，水能分别如下图所示。人类都已经开始开发应用。从蕴能的角度看，太阳能无异是最丰富，最易开发利用的资源。太阳能热水器已经广泛的应用到地球回归线以内的广大地区，而太阳能发电也正蓬勃的发展起来，有利于解决地球能源不足和温室效应的问题。但是太阳能发电也存在转换效率低，生产成本高，生产工艺复杂等诸多因素困扰。今天我们就是要针对太阳能电池片和组件综合缺陷检测给出红

19、外检测方案。7.2 太阳能电池系统生产及检测红外热像仪检测太阳能电池综合缺陷。太阳能电池生产过程如下图所示，在组装环节，我们使用电池片PV Cell 焊接、层压成为组件Modules。在出厂前需要进行电池组件缺陷进行测试，现在主要使用的方法有1、电池板电性能测试；2、EL 隐裂可视化检测；3、层压后红外检测。我们主要介绍红外检测电池板综合缺陷。当太阳能电池板通反向电流时，电池板会发热，电池板缺陷部分阻抗比较大，所以发热量也大，我们就是通过红外热像仪观察电池板的热区和冷区来。通常情况下正常区域面积较大，过热区域是太阳能电池板的缺陷所在，过冷区域是太阳能电池板的短路区域。因而过热和过冷都是有问题的

20、。7.3 案例应用2008 年11 月22 日欧美大地科技有限公司和上海索朗太阳能技术有限公司联合进行太阳能电池组件综合缺陷红外热成像检测实验。我们选择在暗房内完成实验，以避免太阳光的干扰。首先选择有电性能缺陷的单片电池片做实验，单片电池片表面为硅材料，没有层压玻璃薄膜。使用恒流电流源对电池片接通反向1A 电流，电池片逐渐升温，其中缺陷部位升温较快，当电池片的整体温度达到40时，缺陷部位的温度已经达到60左右。如图所示，电池片右上方区域存在过热区域。图4红外热像仪检测太阳能电池综合缺陷在对几组电池片完成实验后我们将恒流电流源反向接通到太阳能电池组件上，电流大小9A。从红外热像仪观察，组件升温缓

21、慢，但是仍然出现了热区和冷区，出现缺陷的位置与客户划定的缺陷区域吻合。 下图5 是组件的检测。电池组件存在过热和过冷区域，该电池存在缺陷并有部分短路。 7.4 结论1 电池组件在电性能不达标的情况下，可以使用红外热像仪检测其缺陷区域。具体缺陷内容需要另外方法判别。2 像仪适用于电池片检测，也可用于组件检测，但是效果不会很理置断热条来解决。参考文献1.刘恩科，朱秉升，罗晋生半导体物理学MI北京：国防工业出版社，2006：2732782.全球首架全太阳能飞机问世 今日科苑 2008/01 中国期刊全文数据库3.太阳能飞机零污染 科学大众 2008/04 中国期刊全文数据库4.驾太阳能飞机环球20天 Switzerland 商务旅行2008、10中国期刊全文数据库281.