用于探测光伏装置中的缺陷的光子成像系统及其方法

摘要

一种方法包括：经由电流源(14)将电流提供给至少一个光伏装置(12)，并且经由辐射探测器(16)来探测来自至少一个光伏装置(12)的发射光子辐射。该方法还包括将对应于所探测的发射光子辐射的信号从辐射探测器(16)输出到处理器装置(18)，以及经由处理器装置(18)来处理与所探测的发射光子辐射对应的信号，以便生成一个或多个二维光子图像。该方法还包括分析一个或多个二维光子图像，以便确定至少一个光伏装置(12)中的至少一个缺陷。

说明书

技术领域

一般来说，本发明涉及光伏装置，更具体来说，涉及用于探测光伏电池、模块中的缺陷的成像系统及其方法。

背景技术

太阳能被认为是相对其它形式的能量的替代能源。太阳能转换系统用于将太阳能转换成电能。太阳能转换系统通常包括光伏模块、光伏电池或太阳能电池，它们将太阳能转换成电能，以供直接使用或者供存储和以后使用。太阳能到电能的转换包括：在太阳能电池接收光、如太阳光；将太阳光吸收到太阳能电池中；生成和分离正、负电荷，从而在太阳能电池中创建电压；以及通过耦合到太阳能电池的端子收集和传递电荷。

在太阳能模块制造线中，识别例如薄膜光伏模块等太阳能装置中的局部缺陷、热点等等是有帮助的，以便预测太阳能模块是否易于退化或者太阳能模块是否会出故障。用于太阳能模块的常规诊断方法涉及将成品太阳能模块暴露在校准到太阳光强度的光源下，并且然后测量作为所施加电压的函数的电流。这种常规技术提供与太阳能模块的功率转换效率相关的信息，但没有提供与太阳能模块的可靠性有关的任何信息。此外，对于光源的操作消耗大量电力。

希望具有更有效的系统和方法来识别光伏装置、如薄膜光伏模块中的缺陷。

发明内容

根据本发明的一个示范实施例，该方法包括经由电流源将电流提供给至少一个光伏装置，并且经由辐射探测器(radiation detector)来探测来自至少一个光伏装置的发射光子辐射。该方法还包括将对应于所探测的发射光子辐射的信号从辐射探测器输出到处理器装置，以及经由处理器装置来处理与所探测的发射光子辐射对应的信号，以便生成一个或多个二维图像。该方法还包括分析一个或多个二维光子图像，以便确定至少一个光伏装置中的至少一个缺陷。

根据本发明的另一个示范实施例，一种系统包括电流源，它耦合到至少一个光伏装置，并且配置成将电流提供给至少一个光伏装置。辐射探测器配置成探测来自至少一个光伏装置的发射光子辐射，并且输出与所探测的发射光子辐射对应的信号。处理器装置耦合到辐射探测器，以及配置成接收与所探测的发射光子辐射对应的信号，处理该信号以生成一个或多个二维光子图像，并且分析一个或多个二维光子图像以确定至少一个光伏装置中的至少一个缺陷。

根据本发明的另一个示范实施例，公开一种计算机可读介质，它使处理器装置能够确定至少一个光伏装置中的至少一个缺陷。

附图说明

通过参照附图阅读以下具体实施方式，会更好地理解本发明的这些及其它特征、方面和优点，附图中，相似符号在整个附图中表示相似部件，附图包括：

图1是根据本技术的一个示范实施例、配置成诊断例如薄膜光伏模块等光伏装置的性能和可靠性的系统的图解表示；

图2是根据本技术的一个示范实施例、配置成诊断例如薄膜光伏模块等光伏装置的性能和可靠性的系统的更详细图解表示；

图3是根据本技术的一个示范实施例、用于获得无背景电致发光图像(“单纯电致发光图像”)的双倍速率电致发光探测技术的图解表示；

图4是根据本技术的一个示范实施例的例如薄膜光伏模块等光伏装置的图解表示；

图5是根据本技术的一个示范实施例、表示例如薄膜光伏模块等光伏装置的整个表面的二维电致发光图像的图解表示；

图6是根据本技术的一个示范实施例、表示例如薄膜光伏模块等光伏装置的整个表面的二维热图像的图解表示；

图7是示出根据本技术的一个示范实施例、电致发光强度相对所施加电流或电压的变化的图表；

图8是根据本技术的一个示范实施例的二维电致发光图像的图解表示；以及

图9是示出根据本技术的一个示范实施例、探测例如薄膜光伏模块等光伏装置中的一个或多个缺陷的方法中涉及的示范步骤的流程图。

具体实施方式

下面详细论述，本技术的实施例提供一种用于确定例如薄膜光伏模块等的一个或多个光伏装置中的至少一个缺陷的诊断方法。该方法包括经由电流源将电流提供给至少一个光伏装置，并且经由辐射探测器来探测来自至少一个光伏装置的发射光子辐射。该方法还包括将对应于所探测的发射光子辐射的信号从辐射探测器输出到处理器装置，以及经由处理器装置来处理与所探测的发射光子辐射对应的信号，以便生成一个或多个二维光子图像。该方法还包括分析一个或多个二维光子图像，以便确定至少一个光伏装置中的至少一个缺陷。根据一个具体实施例，还公开一种用于确定一个或多个光伏装置中的至少一个缺陷的诊断系统。根据本技术，可从通过使电流经过光伏装置所得到的二维光子图像，来确定光伏装置的性能和最终可靠性。

参照图1，公开一种用于诊断例如薄膜光伏模块等光伏装置12的性能和可靠性的系统10。在另一个实施例中，光伏装置12可以是光伏电池。薄膜光伏模块12可包括碲化镉基光伏模块、铜铟镓硒基光伏模块、硅基光伏模块、非晶硅基薄膜光伏模块等等。本文中应当注意，还设想其它适当光伏模块、电池。系统10包括电流源14、辐射探测器16和处理器装置18。电流源14耦合到薄膜光伏模块12，并且配置成将电流提供给薄膜光伏模块12。在一个实施例中，电流源14配置成将电流脉冲提供给薄膜光伏模块12。在另一个实施例中，电流源14配置成将电流提供给薄膜光伏模块12以供对光伏模块进行焦耳加热。

本领域的技术人员已知，太阳能模块是将光转换成电流的装置。在所示实施例中，观测相反现象，其中薄膜光伏模块12在电流源经过薄膜光伏模块12时发出光。相反现象可称作“电致发光”，它是发光二极管(LED)进行工作的过程。换言之，当电流经过薄膜光伏模块12时，薄膜光伏模块12发射光子辐射。辐射探测器16配置成探测从薄膜光伏模块12所发射的光子辐射，并且输出与所探测的发射光子辐射对应的信号。辐射探测器16可以是红外拍摄装置、电荷耦合器件等等。本文中应当注意，还设想其它适当的辐射探测器。与辐射探测器16的操作同步地操作电流源14。换言之，当激活电流源14时，与电流源14同步地激活辐射探测器16，以便探测来自薄膜光伏模块12的发射光子辐射。

处理器装置18耦合到辐射探测器16，以及配置成从辐射探测器16接收与所探测的发射光子辐射对应的信号，并且处理该信号以生成一个或多个二维光子图像。在一个具体实施例中，二维光子图像包括二维电致发光图像。在另一个实施例中，除了二维电致发光图像之外，二维热图像也可使用通过对一个薄膜光伏模块12进行焦耳加热所发射的相对较长波长的光子辐射来生成。处理器装置18还配置成分析一个或多个二维光子图像，以便确定至少一个薄膜光伏模块12中的至少一个缺陷。缺陷可包括薄膜光伏模块12的裂纹、孔洞、分流路径(shunt)、弱二极管、局部热点、弱或断裂电接触或者它们的组合。处理器装置18通常包括用于执行指示薄膜光伏模块12中的至少一个缺陷的计算的硬件电路和软件，下面进行描述。因此，处理器装置18可包括一系列电路类型，例如基于微处理器的模块和专用或通用计算机、可编程逻辑控制器或者甚至这种装置中的逻辑模块或代码。

在一个具体实施例中，处理器装置18配置成通过将二维电致发光图像与包括温度记录法、可视检查、显微镜法或者它们的组合等的一种或多种技术进行相关，来分析二维光子图像，以便确定薄膜光伏模块12中的缺陷。在另一个具体实施例中，处理器装置18配置成通过将二维电致发光图像与加速使用寿命测试(基于太阳能通量)所生成的结果进行相关，来分析二维光子图像，以便更快地确定薄膜光伏模块12中的缺陷。在又一个具体实施例中，处理器装置18配置成通过将二维电致发光图像与薄膜光伏模块12所具有的一个或多个电性能测量参数(其包括效率、开路电压(V_OC)、短路电流(I_SC)、填充因数或者它们的组合等)进行相关，来分析二维光子图像，以便确定薄膜光伏模块12中的缺陷。本文中应当注意，太阳能电池技术的上下文中的术语“填充因数”定义为实际最大可得功率与理论可得功率之比(表达为百分比)。

在所示实施例中，滤光器(optical filter)20设置在薄膜光伏模块12与辐射探测器16之间。滤光器20配置成向辐射探测器16仅传送能量等于薄膜光伏模块12的吸收层(图1中未示出)的带隙的光子辐射。本文中应当注意，虽然示出单个薄膜光伏模块12，但是示范系统和技术可适用于监测多个薄膜光伏模块。换言之，示范系统可结合在任何在线制造设置中，以便监测和控制生产线。如前面所述，在所示实施例和后续实施例中，即使论述薄膜光伏模块，但是系统10也可适用于其它光伏装置。

参照图2，公开系统10的更详细表示。如上所述，电流源14耦合到薄膜光伏模块12，并且配置成将电流提供给薄膜光伏模块12。辐射探测器16配置成探测从薄膜光伏模块12所发射的光子辐射，并且输出与所探测的发射光子辐射对应的信号。在所示实施例中，对模块12施加的电压偏置波形经由信号发生器17来调制。信号发生器17还配置成将同步触发信号传送给辐射探测器16。处理器装置18经由取帧器装置(frame grabber device)19耦合到辐射探测器16。处理器装置18配置成经由取帧器装置19从辐射探测器16接收与所探测的发射光子辐射对应的信号，并且处理该信号以生成一个或多个二维光子图像。

本文中应当注意，由于由光伏装置所生成的电致发光一般很弱并且受到背景散射光的影响，所以辐射探测器16的积分时间常数的增加不足以生成单纯的电致发光图像。在一个实施例中，为了获得无背景电致发光图像(“单纯的电致发光图像”)，使用一种称作“锁定电致发光探测技术(lock-in electroluminescence detection technique)”的技术。在这种技术中，模块12通过周期性调制的偏压来激活，并且实现了同步电致发光图像探测。电致发光图像使用低通滤波器13进行数字处理，用于实现弱信号的探测。锁定电致发光强度通过下列关系来确定：

其中，“S”是锁定电致发光强度，(x，y)是位置坐标，I(t)是每个图像的电致发光强度，“t”是时间，ω_v是偏压角频率(调制频率)，是系统相移，“N”是电致发光图像的总数。

如前面所述，调制电致发光图像流使用低通滤波器13来滤波，以便排除除了调制频率ω_v附近的电致发光信号之外的宽带噪声。探测帧速率(ω_f＝1/2πΔt)设置成高于调制频率ω_v，以便增加探测准确度。系统相移可通过测量发光二极管而不是模块12来确定，或者实时调谐以使电致发光强度为最大。

参照图3，公开一种称作“双倍速率电致发光探测技术”、用于获得无背景电致发光图像(“单纯的电致发光图像”)的技术。参考标号21表示具有峰值区域23和低区域25的模块偏压信号。峰值区域23指示模块偏压周期的“通态”，而低区域25指示模块偏压周期的“断态”。参考标号27表示具有峰值区域29和低区域31的电致发光信号。峰值区域29指示在模块偏压周期的“通态”期间的电致发光图像信号和背景图像信号的收集，而低区域31指示在模块偏压周期的“断态”期间的背景图像信号的收集。参考标号33表示探测帧速率。

在这种技术中，模块通过周期性调制的偏压来激活，并且实现了同步电致发光图像探测。在双倍速率电致发光探测技术中，探测帧速率设置成模块电压偏置的帧速率的两倍。从电致发光信号中减去背景图像信号，以便得到单纯的电致发光图像。可对多个帧上的无背景图像求平均。模块偏置电压速率取决于优化探测器积分时间。这种技术甚至在可变背景光存在时也实现电致发光图像的更快的实时探测。双倍速率电致发光探测技术还免受背景图像的变化的影响，因为动态地减去了背景图像。

参照针对图2和图3所述的实施例，根据探测帧速率和测量时间来增强信噪比。电致发光的处理可使用数字信号处理(DSP)硬件来进行，用于增加图像处理的速度。备选地，双倍速率电致发光探测技术中的图像减法过程可使用拍摄装置上的存储器来执行。

参照图4，示出根据本发明的一个示范实施例的薄膜光伏模块12。模块12包括玻璃层22、透明导电氧化物层24、n型硫化镉层26、p型碲化镉层28(一般称作“吸收层”)和背接触层30。P型碲化镉层28吸收光量子(light photon)，并且生成自由电子。n型硫化镉层26发射这些自由电子以通过层22、24从而发射到外电路(未示出)中。电子返回到p型碲化镉层28中，以便通过背接触层30与空穴复合。换言之，导带34中的电子32与价带38中的空穴36复合，从而生成作为光子的能量。如上所述，在所示实施例中，观测相反现象，其中薄膜光伏模块12在电流源经过薄膜光伏模块12时发出光。换言之，当电流源经过薄膜光伏模块12时，薄膜光伏模块12发射光子辐射。本文中应当注意，所示模块12是一个示范实施例，并且薄膜光伏模块的配置不应当被理解为是限制性的。

用于太阳能模块的常规诊断方法涉及将成品太阳能模块暴露在校准到太阳光强度的光源下，并且然后测量作为所施加电压的函数的电流。这种常规技术提供与太阳能模块的功率转换效率相关的信息，但没有提供与太阳能模块的可靠性有关的信息。此外，对于光源的操作消耗大量电力。

根据本发明的一个示范实施例，处理器装置18(图1所示)处理来自辐射探测器的对应于所探测的发射光子辐射的信号，以便生成表示薄膜光伏模块12的一个或多个二维光子图像。例如，所生成的二维电致发光图像表示薄膜光伏模块12的整个表面，并且可经过分析以识别薄膜光伏模块12的至少一个缺陷。薄膜光伏模块的局部缺陷、热点等的探测可指示该模块可能的故障。缺陷的列表可通过研究二维光子图像来识别。因此，能够预测该模块是否有故障或退化的倾向。

参照图5，示出表示薄膜光伏模块的整个表面的二维电致发光图像40。如上所述，处理器装置配置成从辐射探测器接收与所探测的发射光子辐射对应的信号，并且处理该信号以生成一个或多个二维光子图像。处理器装置18还配置成分析一个或多个二维光子图像，以便确定薄膜光伏模块中的至少一个缺陷。

在所示实施例中，二维电致发光图像40示出在整个模块的表面上的模块性能的变化。由电致发光图像40的参考标号42所表示的多个亮区表示模块中相对较高效率的区域。换言之，区域42指示以较高效率将太阳光转换成电力的模块的区域。由电致发光图像40的参考标号44所表示的多个暗线指示薄膜光伏模块的多个网格线。模块的网格线是电流收集线，通常包括涂敷在模块上的丝网印刷的银环氧树脂(silver epoxy)。本文中应当注意，模块的网格线阻挡太阳光和电致发光。因此，网格线由多个暗线44表示。由电致发光图像40的参考标号46所表示的多个较暗区域表示模块中的缺陷的区域。换言之，区域46指示以较低效率将太阳光转换成电力的区域。缺陷可包括薄膜光伏模块的裂纹、孔洞、分流路径、弱二极管、局部热点、弱或断裂电接触或者它们的组合。

参照图6，示出表示薄膜光伏模块的整个表面的二维热图像48。如上所述，除了二维电致发光图像之外，二维热图像48也可使用通过对一个薄膜光伏模块进行焦耳加热所发射的相对较长波长的光子辐射来生成。因此，光子辐射谱中的不同区域可提供与薄膜光伏模块有关的补充信息。在所示实施例中，二维热图像40提供指示模块的整个表面上的模块性能的变化的补充信息。由热图像48的参考标号50所表示的多个较亮区域表示模块中的缺陷的区域。

参照图7，图示示出来自二维电致发光图像的特定区域的电致发光强度相对于所施加电流或电压的变化的图表52。在一个实施例中，电致发光强度的对数(log EL)由Y轴表示，而所施加电压(V)由X轴表示。在一个这种实施例中，电流源配置成以较高电流密度对薄膜光伏模块进行正向偏压。例如，较高电流密度可在1至100mA/cm²(每平方厘米毫安)的范围之内。在所示实施例中，来自薄膜光伏模块的参考区域的电致发光强度由实线54表示，来自该模块的具有增加的串联电阻(Rs)的区域的电致发光强度由虚线56表示，以及来自该模块的具有减小的分流电阻(Rsh)的区域的电致发光强度由虚线58表示。

当以较高电流密度将正向偏压施加到模块时，二维电致发光图像的电致发光强度分布由串联电阻和分流电阻来调制。因此，通过分析二维电致发光图像的电致发光强度分布相对于所施加电压的变化，可将二维电致发光图像转换成串联电阻和分流电阻的二维图像。本文中应当注意，电致发光强度以指数方式取决于局部二极管电压。因此，分流电阻减小58使电致发光-电压曲线相对参考电致发光54向下位移，并且串联电阻增加56相对参考电致发光54改变了电致发光-电压曲线的斜率。这种串联电阻变化56和分流电阻变化58地图(map)可通过在多个电压值测量电致发光强度来生成。在另一个实施例中，类似的地图可通过绘制电致发光强度的对数(log EL)相对于电流的对数的变化来生成。

参照图8，示出二维电致发光图像60。在一个这种实施例中，电流源配置成以较低电流密度对薄膜光伏模块进行正向偏压。例如，较低电流密度可在0.1至10mA/cm²(每平方厘米毫安)的范围之内。当以较低电流密度将正向偏压施加到模块时，该模块的串联电阻可被忽略，因为电压降较小。在这种实施例中，能够探测例如模块的吸收层中的非均匀性等缺陷。本文中应当注意，模块的吸收层中的任何非均匀性引起模块的二极管“导通电压”(在该导通电压以上，大量电流注入二极管)的变化。具有较低二极管“导通电压”模块的区域允许较高电流流动。换言之，这类区域具有相对较高局部电流注入水平。如前面所述，由于电致发光强度局部地取决于电流密度，所以局部二极管导导通电压的变化产生具有较高对比度的二维电致发光图像。在所示实施例中，图像60的一个或多个较亮区域62对应于具有较低二极管“导通电压”/弱二极管的区域。

根据一个具体实施例，“微电致发光技术”用于确定至少一个光伏电池中的至少一个缺陷。在这种实施例中，光伏电池是发光二极管。在一个这种实施例中，电流源配置成以预定电压对光伏电池进行正向偏压。辐射探测器探测从光伏电池的结区所发射的光子辐射，并且输出与所探测的发射光子辐射对应的信号。辐射探测器具有与检查光伏电池的结区所需的特征所兼容的空间分辨率。在一个实施例中，辐射探测器可具有检查光伏电池的结区的晶粒边界所需的晶粒尺寸(例如微米)数量级的分辨率。辐射探测器可以是红外显微镜。对于电致发光发射是重要的光伏电池的结区的显微部分可通过以精细空间分辨率来检查电致发光光子发射的幅值来确定。结区的这类显微部分对于光伏作用是重要的。光伏电池的性能可通过下列手段来增强：增加被认为是电致发光中最有效的光伏电池的结区的部分，并且减少不认为是有助于电致发光的那些结区。

参照图9，公开示出探测例如薄膜光伏模块等光伏装置中的一个或多个缺陷的方法中涉及的示范步骤的流程图。该方法包括经由电流源将电流提供给薄膜光伏模块，如步骤64所示。在一个实施例中，将电流脉冲提供给薄膜光伏模块。在另一个实施例中，将电流提供给薄膜光伏模块以供对光伏模块进行焦耳加热。

在所示实施例中，观测相反现象，其中薄膜光伏模块在电流经过薄膜光伏模块时发出光。相反现象可称作“电致发光”。当电流源经过薄膜光伏模块时，薄膜光伏模块发射光子辐射。从薄膜光伏模块所发射的光子辐射经由辐射探测器来探测，如步骤66所示。辐射探测器可以是红外拍摄装置、电荷耦合器件等等。探测器向处理器装置输出与所探测的发射光子辐射对应的信号，如步骤68所示。与辐射探测器的操作同步地操作电流源。换言之，当激活电流源时，与电流源同步地激活辐射探测器，以便探测来自薄膜光伏模块的发射光子辐射。在所示实施例中，经由设置在薄膜光伏模块与辐射探测器之间的滤光器，仅将能量等于薄膜光伏模块的吸收层的带隙的光子辐射传送给辐射探测器。

该方法还包括从辐射探测器接收与所探测的发射光子辐射对应的信号，并且处理该信号以生成一个或多个二维光子图像，如步骤70所示。在一个具体实施例中，二维光子图像包括二维电致发光图像。在另一个实施例中，除了二维电致发光图像之外，二维热图像也可使用通过对一个薄膜光伏模块进行焦耳加热所发射的相对较长波长的光子辐射来生成。该方法还包括分析一个或多个二维光子图像，以便确定薄膜光伏模块中的至少一个缺陷，如步骤72所示。缺陷可包括薄膜光伏模块的裂纹、孔洞、分流路径、弱二极管、局部热点、弱或断裂电接触或者它们的组合。

在一个具体实施例中，以较高电流密度对薄膜光伏模块进行正向偏压，并且二维电致发光图像强度相对于所施加电压之间的关系经过分析以生成串联电阻地图、分流电阻地图或者它们的组合，以便确定薄膜光伏模块中的缺陷。在另一个具体实施例中，二维电致发光图像强度相对于所施加电流之间的关系类似地经过分析，以便确定薄膜光伏模块中的缺陷。在另一个实施例中，以较低电流密度对薄膜光伏模块进行正向偏压，并且所生成的二维电致发光图像的强度的对比度经过分析，以便确定薄膜光伏模块中的缺陷。

本文中应当注意，示范电致发光技术便于经由红外拍摄装置或CCD器件来捕获与整个模块对应的二维电致发光图像，因此消除了如在使用光束诱发电流(LBIC)仪器的情况下那样使探头在薄膜光伏模块的表面上移动的常规需要。另外，示范电致发光技术比消耗大量电力以操作光源的常规太阳能模拟测试器更节省能量。示范电致发光技术可适用于监测光伏装置制造过程、货运和安装期间的光伏装置的搬运以及一个或多个元件对所安装光伏装置的影响。

虽然本文仅说明和描述了本发明的某些特征，但本领域的技术人员会想到多种修改和变更。因此要理解，所附权利要求书意在涵盖落入本发明的真实精神之内的所有这类修改和变更。