Waarnemen en analyseren voor de evaluatie van zonnecellen
De laatste jaren zijn de vermindering van het verbruik van fossiele brandstoffen en het gebruik van fotovoltaïsche energie populaire manieren geworden om de opwarming van de aarde te voorkomen en anderszins het milieu te beschermen. Het grote voordeel van zonnecellen is dat overal waar de zon schijnt, onbeperkt energie kan worden opgewekt zonder schade aan het milieu. Om deze reden en omdat de efficiëntie van de stroomopwekking niet afhangt van de grootte van de apparatuur, neemt de vraag naar fotovoltaïsche energie toe.
In dit gedeelte wordt een inleiding gegeven tot de basiskennis van zonnecellen, met inbegrip van het werkingsprincipe en de structuur, en worden ook voorbeelden gegeven van waarnemingen met hoge resolutie, zeer nauwkeurige metingen en analyses en zeer efficiënte kwantitatieve evaluaties.
- Werkingsprincipe, structuur en energieomzettingsrendement van zonnecellen
- Problemen bij het waarnemen, meten, analyseren evalueren van zonnecellen
- De meest recente toepassingsvoorbeelden van onze microscoop waarmee de efficiëntie van waarneming, meting en analyse wordt verbeterd en zonnecellen kwantitatief kunnen worden geëvalueerd.
- Een 4K-microscoop die het waarnemen, meten, analyseren en evalueren van zonnecellen optimaliseert
Werkingsprincipe, structuur en energieomzettingsrendement van zonnecellen
De belangrijkste zonnecellen die momenteel beschikbaar zijn, zijn zonnecellen van silicium of van samengestelde halfgeleiderzonnecellen. Hoewel silicium zonnecellen het meest worden gebruikt, neemt het marktaandeel van samengestelde halfgeleiderzonnecellen toe omdat deze een voordeel hebben wat de productiekosten betreft. Het basisprincipe en de structuur van zonnecellen, alsmede de kenmerkende materialen en het omzettingsrendement van silicium zonnecellen en samengestelde halfgeleiderzonnecellen worden hieronder uitgelegd.
Werkingsprincipe van zonnecellen
Silicium zonnecellen, die gewoonlijk worden gebruikt, hebben een interne verbinding van twee soorten halfgeleiders, het p-type en het n-type, die elk verschillende elektrische eigenschappen hebben.
Wanneer het zonlicht op een zonnepaneel valt, ontstaan er elektronen (negatieve) en gaten (positieve). Gaten worden aangetrokken door het p-type halfgeleider, terwijl elektronen worden aangetrokken door het n-type halfgeleider. Wanneer bijvoorbeeld een belasting zoals een gloeilamp wordt aangesloten op de elektroden van de voor- en achterzijde, loopt er elektrische stroom door de verbinding zoals geïllustreerd in de volgende afbeelding.
- A: Antireflectiefolie
- B: n-type silicium
- B: p-type silicium
- D: Elektroden
- E: Stroom
Structuur van zonnecellen
De units en de namen daarvan worden hieronder uitgelegd met een afbeelding van de structuur en de unitnamen.
- A: Cel
- B: Module
- C: Matrix
- Cel
- Een cel is de minimale eenheid.
- Celreeks of celmatrix
- Eén cel levert een lage spanning. Een celreeks bestaat uit meerdere cellen die in serie zijn geschakeld om de vereiste spanning op te wekken.
Een celmatrix bestaat uit meerdere celreeksen die in serie of parallel zijn geschakeld voor een hogere uitgangsspanning.
- Module
- Een module oftewel zonnepaneel bestaat uit meerdere celmatrices voor gebruik buitenshuis. Een module is bedekt met hars of gewapend glas om de interne cellen te beschermen en wordt bevestigd met een buitenframe om de sterkte te vergroten.
- Matrix
- Meerdere op elkaar aangesloten modules zijn een matrix.
Energieomzettingsrendement en materialen van zonnecellen
Een belangrijke werkingsindicator van zonnecellen is het energieomzettingsrendement. Het energieomzettingsrendement is een parameter waarmee wordt aangegeven welk deel van het invallende zonlicht wordt omgezet in elektrische energie. Het energieomzettingsrendement van modules en het energieomzettingsrendement van cellen zijn twee aparte indicatoren voor het energieomzettingsrendement van fotovoltaïsche cellen. Deze beide energieomzettingsrendementen worden hieronder uitgelegd.
- Energieomzettingsrendement van modules
-
Het energieomzettingsrendement van een module wordt gewoonlijk gebruikt om het vermogen van een zonnemodule (zonnepaneel) om stroom op te wekken, aan te geven. Dat energieomzettingsrendement is een percentage elektrische energie dat wordt omgezet van ongeveer 1 kW lichtenergie per 1 m² zonnemodule.
- Energieomzettingsrendement van cellen
-
Een cel is het kleinste onderdeel van een zonnemodule. Het energieomzettingsrendement van een cel geeft het energieomzettingsrendement per zonnecel aan. Dit energieomzettingsrendement kan met de volgende formule worden berekend.
Dankzij voortdurend onderzoek en voortdurende ontwikkeling wordt het energieomzettingsrendement van modules en cellen jaar na jaar hoger. De moderne technologie kan echter niet de volle 100% van de invallende lichtenergie opvangen en 100% van de opgevangen lichtenergie omzetten in elektriciteit als gevolg van verschillende factoren, zoals de weerkaatsing van het licht op de zonnepanelen en de weerstand van de cellen.
- Materialen van kenmerken van zonnecellen
- Voor zonnecellen worden verschillende materialen gebruikt, afhankelijk van de toepassing, de functies die voor die toepassing nodig zijn, en de verwachte kosten. Het energieomzettingsrendement verschilt daardoor. Daarom werken fabrikanten aan het onderzoeken en ontwikkelen van materialen en fabricageprocedés om een hoger energieomzettingsrendement tegen lagere kosten te kunnen behalen.
Hieronder staan de zonnecellen ingedeeld in het type silicium en het type samengestelde halfgeleider en worden de desbetreffende materialen en kenmerken ervan voor elk type toegelicht.
- Zonnecel van silicium
-
- Monokristal
- Zonnecellen met een monokristallijn silicium zijn duur, maar hebben een hoog omzettingsrendement en zijn zeer betrouwbaar.
- Polykristal
- Polykristallijne siliciumcellen worden het meest gebruikt omdat polykristallijn silicium goedkoper is dan monokristallijn silicium.
- Amorf silicium
- Omdat amorf silicium een niet-kristallijn silicium is, zijn zonnecellen met amorf silicium goedkoper dan zonnecellen met polykristallijn silicium, maar hebben silicumzonnecellen een laag omzettingsrendement.
- Cellen met meerdere verbindingen
- Verschillende soorten zonnecellen, waaronder amorf silicium en dunne folies van polykristallijn silicium, worden gelamineerd om een tandemstructuur te maken. Het energieomzettingsrendement van dit type zonnecel is hoog.
- Samengestelde halfgeleiderzonnecellen
-
- Koper indium selenide (CIS)
- CIS-zonnecellen worden gemaakt van koper, indium en selenide. Dit type zonnecel kan tegen lage kosten worden vervaardigd, maar heeft een relatief energieomzettingsrendement.
- Koper indium gallium selenide (CIGS)
- Als gallium wordt toegevoegd aan de drie elementen die worden gebruikt voor CIS-zonnecellen, bestaan CIGS-zonnecellen uit vier elementen. Het energieomzettingsrendement van dit type zonnecel is enigszins hoger dan van CIS-zonnecellen.
- Cadmium-telluride (CdTe)
- CdTe-zonnecellen worden gemaakt van cadmium en tellurium. Dit type zonnecel wordt voornamelijk in Europa gebruikt.
- Gallium arsenide (GaAs)
- GaAs-zonnecellen worden gemaakt van gallium en arsenide. Het energieomzettingsrendement van dit type zonnecel is hoog maar de productie ervan is prijzig. Dit type zonnecel wordt gebruikt in satellieten en vergelijkbare toepassingen.
Problemen bij het waarnemen, meten, analyseren evalueren van zonnecellen
In de fotovoltaïsche industrie die zich inzet voor de bescherming en het behoud van het milieu, en de groeiende vraag naar duurzame energie doen fabrikanten onderzoek naar en ontwikkelen zij zonnecellen die een hogere energieomzettingsrendement tegen lagere kosten bieden, en beconcurreren zij elkaar om nieuwe markten te veroveren. Ook zijn hoge niveaus van kwaliteitsborging en -controle noodzakelijk om stabiele fotovoltaïsche en energieopslagproducten te kunnen leveren en de betrouwbaarheid op de vervangingsmarkt te handhaven.
Zonnecellen hebben onregelmatige oppervlakken waardoor het totale oppervlak wordt vergroot. Elk deel van een zonnecel bestaat uit verschillende materialen met verschillende kleuren en glanzende oppervlakken. Hierdoor is het moeilijk om microscopisch kleine onderdelen zoals elektroden van defecte producten en prototypen nauwkeurig waar te nemen, te meten en te analyseren, wat die bewerkingen tijdrovend maakt.
Veel tijd en inspanning en een hoog niveau van kennis en expertise zijn nodig om met optische microscopen te kunnen waarnemen, meten, analyseren en andere taken te kunnen uitvoeren. Wordt er daartegen een schaal gebruikt voor visuele meting, dan kunnen de gemeten waarden per gebruiker verschillen.
De voorbereiding is tijdrovend en arbeidsintensief wanneer een rasterelektronenmicroscoop (SEM) wordt gebruikt voor het meten van doorsneden. Met een SEM is het ook moeilijk om materialen en vreemde deeltjes in defecte gebieden te herkennen, omdat er met deze microscoop niet in kleur kan worden waargenomen.
De meest recente toepassingsvoorbeelden van onze microscoop waarmee de efficiëntie van waarneming, meting en analyse wordt verbeterd en zonnecellen kwantitatief kunnen worden geëvalueerd.
De recente technologische vooruitgang van digitale microscopen maakt een einde aan de problemen waarmee optische microscopen te kampen hebben, en verbetert in aanzienlijke mate de efficiëntie van de waarneming, het meten en de analyse. Onze nieuwste digitale microscoop heeft een automatische hulpfunctie waarmee gemakkelijk kan worden waargenomen met HR-beelden, zeer nauwkeurige 2D- en 3D-metingen, en tellen van deeltjes op de details van zonnecellen.
Dankzij de geavanceerde functies die met eenvoudige handelingen zijn uit te voeren, maakt de 4K digitale microscoop uit de VHX-reeks van KEYENCE heldere beelden en voert nauwkeurige dimensionale metingen uit met behulp van HR-lenzen met hoge resolutie, een 4K CMOS-beeldsensor en verlichtings- en beeldverwerkingstechnologieën. Hierdoor kan met één enkel apparaat de effciëntie en snelheid van de reeks werkzaamheden voor het waarnemen en analyseren tot aan het maken van rapporten over zonnecellen, sterk worden verbeterd.
Lees verder voor een inleiding tot voorbeelden van het waarnemen, meten en analyseren van zonnecellen met de VHX-reeks.
3D-meting van de elektroden
Om het energieomzettingsrendement van zonnecellen te verhogen, is het noodzakelijk om de elektroden zowel in de breedte als in de hoogte zo klein mogelijk te maken. Wanneer er voor elektroden een kostbaar materiaal zoals goud wordt gebruikt, kan het verkleinen van de elektroden de kosten drukken.
Nauwkeurig meten van dunne elektrodevormen met optische microscopen is niet eenvoudig, waardoor het onmogelijk is om snel 3D-vormen te meten.
Met de 4K digitale microscoop uit de VHX-reeks kunnen aan de hand van een vergroot beeld met hoge resolutie nauwkeurig 3D-vormen op micrometerniveau worden gemeten. De combinatie van een kleurenkaart waarmee hoogtegegevens en profielmetingen op meerdere gespecificeerde plaatsen in beeld worden gebracht, maakt het gemakkelijk om microscopisch kleine vormen van onderdelen te vergelijken.
Dwarsdoorsnedewaarneming van defecten onderdelen
Wanneer een gepolijste dwarsdoorsnede van ingesloten hars sterk vergroot met een optische microscoop wordt bekeken, maken zelfs subtiele onregelmatigheden op het oppervlak het onmogelijk om het gehele oppervlak in beeld te brengen, waardoor er niet duidelijk kan worden waargenomen. Voorbereidingen zoals het volledig of bijna volledig leegmaken van de monsterkamer zijn tijdrovend wanneer een doorsnede met een rasterelektronenmicroscoop (SEM) wordt bekeken. Ook is het moeilijk om met een SEM veranderingen in materialen waar te nemen en gemengde vreemde deeltjes in dwarsdoorsneden te zien, omdat er met deze microscoop niet in kleur kan worden waargenomen.
De 4K digitale microscoop uit de VHX-reeks heeft een 4K CMOS-beeldsensor en een grote scherptediepte met een nieuw ontwikkeld optisch systeem. Deze functies maken waarneming met duidelijke 4K-kleurenbeelden mogelijk die volledig scherpgesteld in het hele zichtveld in beeld worden gebracht, zonder beïnvloed te worden door onregelmatigheden in het oppervlak van monsters.
Dankzij de naadloze zoomfunctie, die het vergrotingsniveau automatisch omschakelt van 20x tot 6000x zonder lenzen te vervangen, kan de vergroting snel worden omgeschakeld met behulp van een muis of een console, zodat met eenvoudige handelingen direct monsters van dwarsdoorsneden in hoge resolutie kunnen worden waargenomen.
Waarneming van zonnemodules (panelen)
Het is moeilijk om zonnemodules (panelen) met optische microscopen waar te nemen omdat verschillend gekleurde materialen en glanzende oppervlakken aan de buitenkant zijn gemengd en de subtiele onregelmatigheden en krassen op oppervlakken een laag contrast hebben.
De 4K digitale microscoop uit de VHX-reeks heeft een HDR-functie (High Dynamic Range) waarmee meerdere beelden met verschillende sluitertijden worden vastgelegd die vervolgens kunnen worden samengevoegd tot één beeld met hoge kleurengradatie, zodat contrastrijke beelden van structuren kunnen worden waargenomen. Zelfs wanneer de lens gekanteld is met het systeem voor waarneming uit vrije hoek, dat observatie onder elke hoek mogelijk maakt, kunnen monsters worden waargenomen in beelden die over de gehele diepte zijn scherpgesteld met de dieptecompositiefunctie.
Tellen van deeltjes op waferoppervlakken
Met functies voor automatische bewerkingen zoals de multiverlichtingsfunctie, waarbij de gebruiker alleen een voor de waarneming geschikt beeld hoeft te selecteren uit meerdere beelden die zijn vastgelegd onder automatisch gestuurde omnidirectionele verlichting, kunnen met de 4K digitale microscoop uit de VHX-reeks verlichtingscondities voor de waarneming eenvoudig worden bepaald, wat veel tijd scheelt. Eerdere instellingen kunnen uiteraard gemakkelijk worden gereproduceerd voor andere monsters.
Bovendien kunnen gebiedsmetingen en het tellen van deeltjes automatisch worden uitgevoerd in een gebied dat heel eenvoudig is op te geven. Doelen in dit gebied die niet nodig zijn, kunnen worden uitgesloten, overlappende doelen kunnen van elkaar worden gescheiden, en andere nuttige functies kunnen ook worden gebruikt.
Met deze functies kan iedere gebruiker snel zeer nauwkeurige analyseresultaten verkrijgen zonder dat er numerieke fouten worden gemaakt doordat de gebruiker te weinig kennis en/of vaardigheden heeft.
Een 4K-microscoop die het waarnemen, meten, analyseren en evalueren van zonnecellen optimaliseert
De 4K digitale microscoop uit de VHX-reeks maakt betrouwbare waarnemingen mogelijk dankzij een eenvoudige bediening en de heldere beeldkwaliteit die alleen mogelijk is met 4K-beelden met hoge resolutie. Deze microscoop maakt gebruik van waarnemingsbeelden voor 2D- en 3D-metingen (3D-vormen) en het automatisch meten/tellen van gebieden, waardoor numerieke gegevens en kwantitatieve evaluaties zonder menselijke fouten snel kunnen worden verkregen.
De VHX-reeks is een serie krachtige microscopen waarmee problemen die zich voordoen bij optische microscopen en SEM's, kunnen worden opgelost, wat de efficiëntie van het werk aanzienlijk ten goede komt. Net als op een computer kan er op de VHX-reeks rechtstreeks een spreadsheetprogramma worden geïnstalleerd waarmee automatisch rapporten kunnen worden gegenereerd door beelden en gemeten waarden naar een vooraf gemaakte sjabloon te kopiëren. Deze functies maken workflows nauwkeuriger en sneller, wat onontbeerlijk is voor snel onderzoek en de ontwikkeling van producten die superieur zijn aan die van uw concurrenten, snelle implementatie van kwaliteitsborging en het beperken van de tijd die nodig is voor de kwaliteitscontrole.
Klik op de onderstaande knoppen voor aanvullende informatie of vragen over de VHX-reeks.
