Obserwacja i analiza ogniw solarnych w celu oceny
W ostatnich latach redukcja zużycia paliw kopalnych i wykorzystanie fotowoltaiki stały się popularnymi sposobami zapobiegania globalnemu ociepleniu i ochrony środowiska. Główną zaletą ogniw solarnych jest to, że nieograniczoną ilość energii można uzyskać w dowolnym miejscu wystawionym na działanie promieni słonecznych, bez szkody dla środowiska. Z tego powodu, a także dlatego, że wydajność wytwarzania energii nie zależy od skali urządzeń, zapotrzebowanie na fotowoltaikę rośnie.
W tej części przedstawiono podstawową wiedzę na temat ogniw solarnych, w tym zasadę działania i strukturę, a także przykłady obserwacji w wysokiej rozdzielczości, wysoce dokładnych pomiarów i analiz oraz oceny ilościowej z większą wydajnością.
- Zasada działania, struktura i sprawność konwersji energii w ogniwach solarnych
- Problemy z obserwacją, pomiarami, analizą i oceną ogniw solarnych
- Najnowsze przykłady zastosowań naszego mikroskopu, który zwiększa efektywność obserwacji, pomiarów i analiz oraz umożliwia ilościową ocenę ogniw solarnych
- Mikroskop 4K optymalizujący obserwację, pomiary, analizę i ocenę ogniw solarnych
Zasada działania, struktura i sprawność konwersji energii w ogniwach solarnych
Główne dostępne obecnie ogniwa solarne to ogniwa krzemowe lub złożone ogniwa półprzewodnikowe. Chociaż najczęściej używane są krzemowe ogniwa solarne, udział w rynku ogniw solarnych z półprzewodników złożonych rośnie, ponieważ mają one przewagę pod względem kosztów produkcji. Poniżej wyjaśniono podstawową zasadę działania i budowę ogniw solarnych, a także typowe materiały i sprawności konwersji energii ogniw krzemowych i złożonych ogniw półprzewodnikowych.
Zasada działania ogniw solarnych
Powszechnie stosowane krzemowe ogniwa solarne mają wewnętrzne połączenie dwóch typów półprzewodników, typu p i typu n, z których każdy ma inne właściwości elektryczne.
Kiedy panel solarny jest wystawiony na działanie promieni słonecznych, wytwarzane są elektrony (ujemne) i dziury (dodatnie). Dziury są przyciągane do półprzewodnika typu p, a elektrony do półprzewodnika typu n. Na przykład, gdy do elektrod z przodu i z tyłu złącza podłączony jest ładunek, taki jak żarówka, prąd elektryczny przepływa przez złącze, jak pokazano na poniższym rysunku.
- A: Folia przeciwodblaskowa
- B: krzem typu n
- C: krzem typu p
- D: elektrody
- E: prąd
Struktura ogniw solarnych
Jednostki i ich nazwy są wyjaśnione poniżej wraz z rysunkiem przedstawiającym strukturę i nazwy jednostek.
- A: komórka
- B: moduł
- C: macierz
- Ogniwo
- Ogniwo jest najmniejszym elementem.
- Ciąg lub macierz ogniw
- Pojedyncze ogniwo wytwarza niskie napięcie. Ciąg ogniw zawiera wiele ogniw połączonych szeregowo w celu wytworzenia wymaganego napięcia.
Macierz ogniw zawiera wiele ciągów ogniw połączonych szeregowo lub równolegle w celu zwiększenia wytwarzanego napięcia.
- Moduł
- Moduł, nazwany także panelem solarnym, to pakiet zawierający wiele macierzy ogniw i przeznaczony do użycia na zewnątrz. Moduł jest pokryty żywicą lub wzmocnionym szkłem, by chronić wewnętrzne ogniwa, i jest połączony z zewnętrzną ramą, by zwiększyć jego wytrzymałość.
- Macierz
- Wiele połączonych modułów tworzy macierz.
Wydajność konwersji energii i materiały ogniw solarnych
Ważnym wskaźnikiem wydajności ogniw solarnych jest sprawność konwersji energii. Sprawność przemiany energii to parametr, który określa ułamek energii padającego światła słonecznego przekształcony w energię elektryczną. Sprawność konwersji energii modułu i sprawność konwersji energii w ogniwie to dwa reprezentatywne wskaźniki sprawności konwersji energii w fotowoltaice. Poniżej wyjaśnione są dwie sprawności konwersji energii.
- Sprawność konwersji energii modułu
-
Sprawność konwersji energii modułu jest powszechnie używana do określenia zdolności modułu solarnego (panelu solarnego) do wytwarzania energii. Sprawność konwersji energii modułu to procent energii elektrycznej przekształcanej z około 1 kW energii światła na 1 m² modułu solarnego.
- Sprawność konwersji energii ogniwa
-
Ogniwo jest najmniejszym elementem modułu solarnego. Sprawność konwersji energii ogniwa wskazuje sprawność konwersji energii na ogniwo solarne. Sprawność konwersji energii ogniwa można obliczyć za pomocą poniższego wzoru.
Dzięki ciągłym badaniom i rozwojowi, sprawność konwersji energii w modułach i ogniwach poprawia się z roku na rok. Jednak współczesna technologia nie jest w stanie zaabsorbować 100% energii padającego światła i zamienić 100% zaabsorbowanej energii świetlnej na elektryczność z powodu różnych czynników, takich jak odbicie światła od paneli solarnych i opór ogniw.
- Materiały i właściwości ogniw solarnych
- W ogniwach solarnych stosuje się różne materiały, w zależności od zastosowania, funkcji wymaganych przez dane zastosowanie i przewidywanych kosztów. Sprawność konwersji energii zmienia się odpowiednio. Dlatego producenci pracują nad badaniami i rozwojem materiałów i procesów produkcyjnych, aby osiągnąć wyższą sprawność konwersji energii przy niższych kosztach.
Poniżej ogniwa solarne zostały podzielone na typ krzemowy i typ półprzewodnika złożonego. Przedstawiono także reprezentatywne materiały i ich właściwości dla każdego typu.
- Krzemowe ogniwo solarne
-
- Monokryształ
- Ogniwa solarne wykorzystujące krzem monokrystaliczny są drogie, ale mają wysoką sprawność konwersji i niezawodność.
- Polikryształ
- Najczęściej używa się polikrystalicznych ogniw krzemowych, ponieważ krzem polikrystaliczny jest tańszy od monokrystalicznego.
- Krzem amorficzny
- Ponieważ krzem amorficzny jest krzemem niekrystalicznym, ogniwa solarne wykorzystujące krzem amorficzny są tańsze niż te wykorzystujące krzem polikrystaliczny, ale mają niską sprawność konwersji energii.
- Ogniwa wielozłączowe
- Różne rodzaje ogniw solarnych, w tym krzem amorficzny i cienkowarstwowy krzem polikrystaliczny, są laminowane w celu stworzenia struktury podwójnej. Ten typ ogniwa solarnego ma wysoką sprawność konwersji energii.
- Złożone półprzewodnikowe ogniwo solarne
-
- Selenek indowo-miedziowy (CIS)
- Ogniwa solarne CIS są wykonane z miedzi, indu i selenku. Ogniwa solarne tego typu można produkować po niskich kosztach, ale mają stosunkowo wysoką sprawność przemiany energii.
- Selenek indowo-miedziowy-galowy (CIGS)
- Po dodaniu galu do trzech pierwiastków używanych w ogniwach solarnych CIS, ogniwa CIGS wykorzystują cztery pierwiastki. Ogniwa solarne tego typu mają sprawność konwersji energii nieco wyższą niż ogniwa CIS.
- Tellurek kadmu (CdTe)
- Ogniwa solarne CdTe są wykonane z kadmu i telluru. Ten typ jest używany głównie w Europie.
- Arsenek galu (GaAs)
- Ogniwa solarne GaAs są wykonane z kadmu i arsenku. Ogniwa solarne tego typu mają wysoką sprawność konwersji energii, ale są kosztowne. Są używane w satelitach i podobnych zastosowaniach.
Problemy z obserwacją, pomiarami, analizą i oceną ogniw solarnych
W przemyśle fotowoltaicznym, ze względu na potrzebę ochrony środowiska i rosnące zapotrzebowanie na energię ze źródeł odnawialnych, producenci prowadzą badania i rozwijają ogniwa solarne, które zapewniają wyższą sprawność przetwarzania energii przy niższych kosztach, i konkurują ze sobą, by zdobyć nowe rynki. Aby zapewnić stabilne produkty fotowoltaiczne i magazynujące energię oraz utrzymać ich niezawodność na rynku wtórnym, konieczny jest wysoki poziom zapewnienia i kontroli jakości.
Powierzchnia ogniw solarnych jest nierówna, a dzięki temu większa. W każdej części znajduje się mieszanka różnych materiałów o zróżnicowanych kolorach i błyszczących powierzchniach. Utrudnia to dokładne obserwowanie, mierzenie i analizowanie mikroskopijnych części — takich jak elektrody — wadliwych produktów i prototypów, co sprawia, że czynności te są czasochłonne.
Do obserwacji, pomiarów, analizy i innych związanych z tym zadań z użyciem mikroskopów optycznych potrzeba dużo czasu i wysiłku oraz wysokiego poziomu wiedzy specjalistycznej. Z drugiej strony, kiedy do pomiaru wizualnego używana jest skala, zmierzone wartości mogą się różnić w zależności od operatora.
Jeśli do pomiaru przekroju używa się skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM), przygotowanie pochłania dużo czasu i pracy. Trudno jest też zidentyfikować materiały i obce cząstki w uszkodzonych obszarach, ponieważ SEM nie umożliwia obserwacji w kolorze.
Najnowsze przykłady zastosowań naszego mikroskopu, który zwiększa efektywność obserwacji, pomiarów i analiz oraz umożliwia ilościową ocenę ogniw solarnych
Rozwój technologiczny mikroskopów cyfrowych eliminuje problemy, z którymi borykają się mikroskopy optyczne, i znacznie zwiększa efektywność obserwacji, pomiarów i analiz. Nasz najnowszy mikroskop cyfrowy posiada funkcję automatycznego wspomagania, która w łatwy sposób umożliwia obserwację przy użyciu obrazów o wysokiej rozdzielczości, bardzo dokładnych pomiarów 2D i 3D oraz zliczania cząsteczek na elementach ogniw solarnych.
Dzięki wysokiej funkcjonalności dostępnej za pomocą prostych operacji, mikroskop cyfrowy KEYENCE 4K serii VHX zapewnia wyraźne obrazy i dokładne pomiary wymiarowe. Wykorzystuje do tego obiektywy o wysokiej rozdzielczości HR, matrycę obrazu 4K CMOS oraz technologie oświetlenia i przetwarzania obrazu. Dzięki temu znacznie poprawia wydajność i szybkość wykonywania szeregu zadań od obserwacji, pomiarów i analiz do tworzenia raportów dotyczących ogniw solarnych.
Czytaj dalej, aby zapoznać się z przykładami obserwacji, pomiarów i analizy ogniw solarnych przy użyciu serii VHX.
Pomiar 3D kształtu elektrod
Aby zwiększyć sprawność konwersji energii w ogniwach solarnych, konieczne jest zminimalizowanie szerokości i wysokości elektrod. Jeśli elektrody wykonane są z drogiego materiału, takiego jak złoto, zminimalizowanie objętości może obniżyć koszty.
Trudno jest precyzyjnie zmierzyć drobne kształty elektrod za pomocą mikroskopów optycznych, przez co niemożliwe jest szybkie zmierzenie kształtów 3D.
Dzięki mikroskopowi cyfrowemu 4K serii VHX, trójwymiarowe kształty mogą być mierzone z precyzją na poziomie mikrometrów przy użyciu powiększonego obrazu o wysokiej rozdzielczości. Połączenie kolorowej mapy wizualizującej dane dotyczące wysokości z pomiarem profilu w wielu określonych miejscach ułatwia porównywanie mikroskopijnych kształtów części.
Obserwacja przekrojowa wadliwych obszarów
Kiedy polerowany przekrój osadzonej żywicy jest obserwowany pod dużym powiększeniem przy użyciu mikroskopu optycznego, nawet subtelne nierówności pozostawione na powierzchni uniemożliwiają uzyskanie ostrości na całej powierzchni, co uniemożliwia dokładną obserwację. Przygotowanie, takie jak całkowite lub prawie całkowite opróżnienie komory próbki, zajmuje dużo czasu podczas obserwacji przekroju poprzecznego za pomocą skaningowego mikroskopu elektronowego (SEM). Trudno jest też wykryć zmiany w materiałach i zidentyfikować obce cząstki wmieszane w przekrój, ponieważ SEM nie umożliwia obserwacji kolorów.
Mikroskop cyfrowy 4K serii VHX jest wyposażony w matrycę 4K CMOS oraz dużą głębię ostrości uzyskaną dzięki nowo opracowanemu układowi optycznemu. Te cechy umożliwiają obserwację przy użyciu wyraźnych, kolorowych obrazów 4K o pełnej ostrości w całym polu widzenia, na co nie mają wpływu nierówności powierzchni próbek.
Dzięki płynnemu powiększeniu, które automatycznie przełącza poziom powiększenia obserwacji od 20x do 6000x bez konieczności wymiany obiektywów, powiększenie można szybko zmienić za pomocą myszy lub konsoli, co pozwala na szybką obserwację próbek w przekroju poprzecznym w wysokiej rozdzielczości przy zastosowaniu prostych operacji.
Obserwacja modułów solarnych (paneli)
Przy użyciu mikroskopu optycznego trudno jest obserwować moduły słoneczne (panele), ponieważ na ich powierzchniach mieszają się różne materiały o różnych kolorach i błyszczących powierzchniach, a także dlatego, że subtelne nierówności i zadrapania na powierzchniach mają niski kontrast.
Mikroskop cyfrowy 4K serii VHX jest wyposażony w technologię HDR (High Dynamic Range — szeroki zakres dynamiczny), która łączy wiele zdjęć zrobionych przy różnych czasach otwarcia migawki. Dzięki temu uzyskuje się obraz o dużej gradacji kolorów, co pozwala prowadzić obserwacje z wykorzystaniem obrazów o wysokim kontraście, podkreślających tekstury. Nawet podczas obserwacji w nachyleniu przy użyciu systemu obserwacji pod dowolnym kątem, próbki mogą być obserwowane na obrazach o ostrości na całej głębokości dzięki funkcji kompozycji głębi.
Zliczanie cząstek na powierzchniach płytek
Dzięki funkcjom wspomagającym działania automatyczne, takim jak funkcja multioświetlenia, która wymaga od operatora jedynie wybrania obrazu odpowiedniego do obserwacji z wielu obrazów przechwyconych przy automatycznie kontrolowanym oświetleniu wielokierunkowym, mikroskop cyfrowy 4K serii VHX może uprościć określanie warunków oświetleniowych do obserwacji i skrócić wymagany czas. Oczywiście poprzednie ustawienia mogą być łatwo odtworzone dla innych próbek.
Ponadto pomiar obszaru i zliczanie cząstek można wykonać automatycznie na określonym obszarze za pomocą prostych operacji. W tym obszarze można wykluczyć niepotrzebne obiekty, oddzielić obiekty, które się pokrywają, a także wykorzystać inne przydatne funkcje.
Dzięki tym funkcjom każdy operator może szybko uzyskać bardzo dokładne wyniki analizy bez błędów liczbowych, które wynikają z doświadczenia lub poziomu wiedzy operatora.
Mikroskop 4K optymalizujący obserwację, pomiary, analizę i ocenę ogniw solarnych
Mikroskop cyfrowy 4K serii VHX umożliwia niezawodną obserwację za pomocą prostych operacji i wyraźnej jakości obrazu dostępnej tylko na obrazach 4K o wysokiej rozdzielczości. Mikroskop ten wykorzystuje obrazy obserwacyjne do pomiaru 2D i 3D (kształtu 3D) oraz automatycznego pomiaru obszaru/zliczania, co pozwala na szybkie uzyskanie danych liczbowych i ocenę ilościową bez błędów ludzkich.
Seria VHX jest potężnym narzędziem, które rozwiązuje różne problemy związane z mikroskopami optycznymi i SEM za pomocą jednego urządzenia, znacznie poprawiając wydajność pracy. Dodatkowo, w urządzeniach serii VHX, podobnie jak w komputerach PC, można zainstalować oprogramowanie arkusza kalkulacyjnego, które umożliwia nawet automatyczne tworzenie raportów poprzez wysyłanie obrazów i zmierzonych wartości do przygotowanego wcześniej szablonu. Te funkcje sprawiają, że przepływ pracy jest dokładniejszy i szybszy, co jest niezbędne do szybkich badań i rozwoju produktów przewyższających produkty konkurencji, szybkiego wdrożenia systemu zapewnienia jakości oraz skrócenia czasu potrzebnego na kontrolę jakości.
Aby uzyskać dodatkowe informacje o serii VHX lub zadać pytanie, kliknij poniższe przyciski.
