Pozorování a analýza pro hodnocení solárních článků
Omezování spotřeby fosilních paliv a používání fotovoltaiky se v posledních letech staly populárními metodami boje proti globálnímu oteplování a ochrany životního prostředí vůbec. Hlavní výhodou solárních článků je, že při jejich vystavení slunečnímu světlu lze kdekoli získat neomezené množství energie bez jakýchkoli škod na životním prostředí. Z tohoto důvodu, a také proto, že účinnost generování energie nezáleží na velikosti zařízení, poptávka po fotovoltaice roste.
Tato část obsahuje základní informace o solárních článcích, včetně principu činnosti a struktury, a uvádí také příklady pozorování s vysokým rozlišením, velmi přesných měření a analýz a vysoce efektivního kvantitativního hodnocení.
- Princip činnosti, struktura a účinnost přeměny energie u solárních článků
- Problémy při pozorování, měření, analýze a hodnocení solárních článků
- Nejnovější příklady použití našeho mikroskopu, který zvyšuje efektivitu pozorování, měření a analýzy a usnadňuje kvantitativní hodnocení solárních článků
- 4K mikroskop, který optimalizuje pozorování, měření, analýzu a hodnocení solárních článků
Princip činnosti, struktura a účinnost přeměny energie u solárních článků
Nejběžnější v současnosti dostupné solární články jsou křemíkové solární články nebo solární články ze složených polovodičů. Křemíkové solární články se sice používají nejčastěji, ale podíl solárních článků ze složených polovodičů na trhu roste, protože jsou výhodnější z hlediska výrobních nákladů. Níže jsou popsány základní princip činnosti a struktura solárních článků a také typické materiály a účinnost přeměny energie křemíkových solárních článků a solárních článků ze složených polovodičů.
Princip činnosti solárních článků
Křemíkové solární články, které se běžně používají, jsou uvnitř opatřeny spojením dvou typů polovodičů, typu P a typu N, které mají každý jiné elektrické vlastnosti.
Po vystavení solárního panelu slunečnímu svitu se generují elektrony (záporné) a díry (kladné). Díry jsou přitahovány k polovodiči typu P, zatímco elektrony jsou přitahovány k polovodiči typu N. Pokud se k elektrodám na přední a zadní straně připojí zátěž, například žárovka, spojením prochází proud, jak je vidět na následujícím obrázku.
- A: Antireflexní fólie
- B: Křemík typu N
- C: Křemík typu P
- D: Elektrody
- E: Proud
Struktura solárních článků
Na následujícím obrázku, zobrazujícím strukturu a názvy jednotek, jsou jednotlivé jednotky s názvy popsány a vysvětleny.
- A: Článek
- B: Modul
- C: Pole
- Článek
- Článek je nejmenší jednotka.
- Série článků nebo matice článků
- Výstupem jediného článku je nízké napětí. Série článků obsahuje několik článků zapojených do série, aby bylo generováno požadované napětí.
Matice článků obsahuje několik sérií článků zapojených sériově nebo paralelně, což výstup ještě zvyšuje.
- Modul
- Modul, nazývaný též solární panel, je sestava několika matic článků pro venkovní použití. Modul je zakryt pryskyřicí nebo vyztuženým sklem, které chrání články uvnitř, a připevněn k vnějšímu rámu, který zvyšuje jeho pevnost.
- Pole
- Spojením více modulů vzniká pole.
Účinnost přeměny energie a materiály solárních článků
Důležitým ukazatelem výkonnosti solárních článků je účinnost přeměny energie. Účinnost přeměny energie je parametr, který ukazuje, jaká část dopadající sluneční energie se přemění na elektrickou energii. Účinnost přeměny energie modulu a článku jsou dva reprezentativní ukazatele účinnosti fotovoltaické přeměny energie. Obě účinnosti přeměny energie jsou vysvětleny níže.
- Účinnost přeměny energie modulu
-
Účinnost přeměny energie modulu obvykle slouží k určení schopnosti solárního modulu (solárního panelu) generovat energii. Účinnost přeměny energie modulu je procento elektrické energie přeměněné z cca 1 kW světelné energie na 1 m² solárního modulu.
- Účinnost přeměny energie článku
-
Článek je nejmenší jednotka tvořící solární moduly. Účinnost přeměny energie článku ukazuje účinnost přeměny energie na každý solární článek. Účinnost přeměny energie článku lze odvodit pomocí následujícího vzorce.
S pokračujícím výzkumem a vývojem se účinnost přeměny energie modulů i článků rok od roku zvyšuje. Vzhledem k nejrůznějším faktorům, například odrazu světla na solárních panelech nebo odporu článků, však ani moderní technologie nedokážou absorbovat 100 % energie dopadajícího světla a přeměnit 100 % absorbované světelné energie na elektřinu.
- Materiály a charakteristiky solárních článků
- Solární články používají nejrůznější materiály v závislosti na použití, požadovaných funkcích v daném použití a předpokládaných nákladech. Podle toho se mění i účinnost přeměny energie. Výrobci proto pracují na výzkumu a vývoji materiálů a výrobních postupů za účelem dosažení vyšší účinnosti přeměny energie a nižších nákladů.
Níže jsou solární články rozděleny na křemíkový typ a typ ze složených polovodičů a pro každý typ jsou popsány reprezentativní materiály a jejich charakteristiky.
- Křemíkový solární článek
-
- Monokrystal
- Solární články z monokrystalického křemíku jsou drahé, ale mají vysokou účinnost přeměny energie a spolehlivost.
- Polykrystal
- Články z polykrystalického křemíku jsou nejpoužívanější, protože polykrystalický křemík je levnější než monokrystalický.
- Amorfní křemík
- Protože amorfní křemík není krystalický, solární články z amorfního křemíku jsou levnější než ty z polykrystalického křemíku, ale mají nízkou účinnost přeměny energie.
- Články s vícenásobným spojením
- Různé typy solárních článků, včetně těch z amorfního křemíku a tenkého polykrystalického křemíku, se navrství do tandemové struktury. Tento typ solárního článku má vysokou účinnost přeměny energie.
- Solární článek ze složených polovodičů
-
- Selenid indium-měďnatý (CIS)
- Solární články CIS jsou vyrobeny z mědi, india a selenu. Tento typ solárního článku se dá vyrábět s nízkými náklady, ale má přitom poměrně vysokou účinnost přeměny energie.
- Selenid indium-gallium-měďnatý (CIGS)
- Přidáním gallia k třem prvkům použitým na solární články CIS vzniknou solární články CIGS využívající čtyři prvky. Tento typ solárního článku má účinnost přeměny energie o něco vyšší než solární články CIS.
- Telurid kadmia (CdTe)
- Solární články CdTe jsou vyrobeny z kadmia a teluru. Tento typ se převážně používá v Evropě.
- Arsenid gallia (GaAs)
- Solární články GaAs jsou vyrobeny z gallia a arsenu. Tento typ solárního článku má vysokou účinnost přeměny energie, ale je drahý. Používá se v družicích a podobných aplikacích.
Problémy při pozorování, měření, analýze a hodnocení solárních článků
S potřebou chránit životní prostředí a stoupající poptávkou po obnovitelné energii se výrobci ve fotovoltaickém průmyslu soustředí na výzkum a vývoj solárních článků, které zajistí vyšší účinnost přeměny energie při nižších nákladech, a navzájem si konkurují při získávání nových trhů. Navíc je k zajištění stability produktů pro fotovoltaiku a skladování energie a udržení spolehlivosti na trhu s náhradními díly potřeba vysoká úroveň kontrol a zajištění kvality.
Solární články mají povrchové nerovnosti, které zvětšují plochu povrchu. Každou část tvoří směs různých materiálů s různými barvami a lesklými povrchy. Proto je obtížné přesně pozorovat, měřit a analyzovat mikroskopické části – například elektrody – vadných produktů a prototypů, takže jsou tyto činnosti časově náročné.
Pozorování, měření, analýza a další související úkoly pomocí optických mikroskopů vyžadují spoustu času a úsilí a vysokou úroveň znalostí. Při použití stupnice pro vizuální měření se zase naměřené hodnoty mohou u každého operátora lišit.
Příprava při použití skenovacího elektronového mikroskopu (SEM) pro měření průřezu zabere hodně času a úsilí. Také je obtížné identifikovat materiály a cizí částice ve vadných oblastech, protože SEM nepodporují pozorování v barvách.
Nejnovější příklady použití našeho mikroskopu, který zvyšuje efektivitu pozorování, měření a analýzy a usnadňuje kvantitativní hodnocení solárních článků
Nejnovější technický pokrok u digitálních mikroskopů eliminuje problémy, kterým čelí optické mikroskopy, a výrazně zlepšuje efektivitu pozorování, měření a analýzy. Náš nejnovější digitální mikroskop má funkci automatické asistence, která usnadňuje pozorování pomocí snímků s vysokým rozlišením, velmi přesných 2D a 3D měření a počítání částic u detailů solárních článků.
Díky řadě funkcí přístupných prostřednictvím jednoduchých úkonů poskytuje digitální 4K mikroskop KEYENCE řady VHX zřetelné snímky a přesné měření rozměrů pomocí objektivů HR s vysokým rozlišením, 4K obrazového senzoru CMOS a technologií osvětlení a zpracování obrazu, které výrazně zlepšují efektivitu a rychlost řady úkolů se solárními články prováděných jediným přístrojem, od jejich pozorování, měření a analýzy až po tvorbu zpráv.
V další části jsou uvedeny některé příklady použití mikroskopu řady VHX k pozorování, měření a analýze solárních článků.
3D měření tvaru elektrod
Chceme-li zvýšit účinnost přeměny energie solárních článků, je nezbytné minimalizovat šířku a také výšku elektrod. Pokud je na elektrody použit drahý materiál, například zlato, minimalizací objemu se sníží i náklady.
Přesně měřit jemné tvary elektrod pomocí optických mikroskopů je obtížné, takže 3D tvary nelze měřit rychle.
Digitální 4K mikroskop řady VHX dokáže 3D tvary měřit s přesností na úrovni mikrometrů využitím zvětšených snímků s vysokým rozlišením. Kombinace barevné mapy, která vizualizuje výšková data a měření profilu na několika určených místech, usnadňuje porovnávání tvarů mikroskopických částí.
Pozorování průřezu vadných oblastí
Pokud optickým mikroskopem pozorujeme při velkém zvětšení vyleštěný průřez vzorku zalitého v pryskyřici, i nepatrné nerovnosti ponechané na povrchu znemožňují zaostřit na celý povrch, což brání jasnému pozorování. Příprava při pozorování průřezu skenovacím elektronovým mikroskopem (SEM), například úplné nebo skoro úplné vysátí komory vzorků, zabere hodně času. Také je obtížné detekovat změny v materiálech a identifikovat cizí částice přimíchané do průřezu, protože SEM nepodporují pozorování v barvách.
Digitální 4K mikroskop řady VHX má 4K obrazový senzor CMOS a velkou hloubku ostrosti dosaženou díky nově vyvinutému optickému systému. Tyto funkce umožňují pozorování pomocí zřetelných barevných 4K snímků, které jsou plně zaostřené v celém zorném poli a nejsou ovlivněny povrchovými nerovnostmi vzorků.
Díky plynulému přiblížení, které automaticky přepíná úroveň zvětšení pozorování v rozsahu 20× až 6000× bez výměny objektivu, lze zvětšení rychle přepnout pomocí myši nebo konzole, což umožňuje prostřednictvím jednoduchých úkonů pohotově pozorovat vzorky průřezů ve vysokém rozlišení.
Pozorování solárních modulů (panelů)
Pozorovat solární moduly (panely) optickými mikroskopy je obtížné, protože na jejich povrchu jsou smíchány různé materiály s různými barvami a lesklými povrchy a protože nepatrné nerovnosti a škrábance na povrchu mají nízký kontrast.
Digitální 4K mikroskop řady VHX je vybaven funkcí velkého dynamického rozsahu (HDR), která kombinuje několik snímků pořízených při různých rychlostech závěrky a vytváří tak snímek s vysokým odstupňováním barev, což umožňuje pozorování prostřednictvím vysoce kontrastních snímků zvýrazňujících textury. I při pozorování s náklonem pomocí pozorovacího stojanu pro práci pod jakýmkoliv úhlem, který umožňuje pozorování z libovolného úhlu, lze vzorky pozorovat na snímcích zaostřených v celé hloubce pomocí funkce hloubkové kompozice.
Počítání částic na povrchu substrátových disků
Pomocí funkcí podporujících automatický provoz, například funkce vícenásobného osvětlení, u které operátor musí jen z několika snímků pořízených za automaticky řízeného všesměrového osvětlení vybrat snímek vhodný pro pozorování, umí digitální 4K mikroskop řady VHX zjednodušit stanovení světelných podmínek pro pozorování a zkrátit potřebný čas. Dřívější nastavení lze samozřejmě snadno reprodukovat pro další vzorky.
Navíc lze v oblasti určené jednoduchými operacemi automaticky provádět měření oblasti a počítání částic. V takové oblasti lze vyloučit nepotřebné objekty, oddělit překrývající se objekty a použít i další užitečné funkce.
Tyto funkce umožňují každému operátorovi rychle získat velmi přesné výsledky analýzy bez numerických chyb, které by mohly souviset se zkušenostmi nebo úrovni znalostí operátora.
4K mikroskop, který optimalizuje pozorování, měření, analýzu a hodnocení solárních článků
Digitální 4K mikroskop řady VHX umožňuje spolehlivé pozorování s jednoduchým ovládáním a s jasnou kvalitou obrazu, jaká je dostupná jen u snímků s vysokým rozlišením 4K. Mikroskop používá snímky pozorování k měření ve 2D a 3D (měření 3D tvaru) a automatickému počítání a měření oblasti, která umožňují rychle získat číselná data a kvantitativní hodnocení bez chyb lidského faktoru.
Mikroskop řady VHX je výkonný nástroj, který v rámci jednoho zařízení řeší nejrůznější problémy optických mikroskopů a SEM a výrazně zvyšuje efektivitu práce. Do mikroskopu řady VHX lze také stejně jako do počítače přímo nainstalovat tabulkový procesor, který umožňuje automatickou tvorbu zpráv pomocí odeslání pořízených snímků a naměřených hodnot do předem připravené šablony. Tyto funkce zpřesňují a zrychlují pracovní postupy, což je nezbytné pro urychlený výzkum a vývoj lepších produktů, než má konkurence, rychlou implementaci zajištění kvality a zkrácení času potřebného pro kontrolu kvality.
Pokud máte další dotazy k řadě VHX, klikněte na tlačítka níže.
