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    本案提出的太陽能電池檢測方法之一包含有以下步驟：充電一太陽能電池的一擴散電容；在充電該擴散電容後，放電該擴散電容；以及感測該太陽能電池在該放電步驟中所發射出的光。
    公开号:TW201316522A
    申请号:TW100135804
    申请日:2011-10-03
    公开日:2013-04-16
    发明作者:Tsun-Yi Wang；Ming-Chieh Lin
    申请人:Chroma Ate Inc；
    IPC主号:Y02E10-00
    专利说明:
    太陽能電池檢測方法及相關裝置
    本發明有關於一種太陽能電池檢測方法及相關裝置，尤指一種應用電致發光(electroluminescence，EL)之物理現象的太陽能電池檢測方法及相關裝置。
    由於太陽能電池(solar cell)是一種相對較為乾淨的電力來源，一般預期，其普及率在可見的未來皆會持續攀升。
    然而，太陽能電池的製造過程其實相當繁複，且難免會導致電池上存在一些缺陷，例如微裂縫(micro crack)或其他缺陷，這些缺陷常會影響電池的光電轉換效率及電池壽命，而降低電池的品質。
    因此，太陽能電池的製造商皆致力於改進生產技術，以減少缺陷的產生。此外，製造商還必需在出貨前，對製造完的太陽能電池進行檢測，以確保電池的品質、降低日後的保固及維修成本、並提升使用者的滿意度。
    少數載子擴散長度(minority carrier diffusion length)及少數載子生命週期(minority carrier lifetime)是太陽能電池兩個重要的參數，這兩個參數的關係為：DL=(D*τ)1/2，亦即τ=DL2/D，其中，DL是擴散長度，D是擴散參數(diffusion coefficient或diffusivity)，τ是生命週期。若太陽能電池上的某些點具有相對較低的擴散長度DL，代表這些點的品質較差，可能有無法用肉眼觀察出的缺陷，除了可能無法正常貢獻電流以外，這些點將來破裂的風險也相對較高。因此，檢測太陽能電池上各點的擴散長度，是判斷電池品質的一種方式。
    電子束誘導電流(electron beam induced current，EBIC)及雷射光束誘導電流(laser beam induced current，LBIC)這兩種物理現象皆可應用來檢測太陽能電池各點的擴散長度的變化，以判斷電池的品質。然而，這類檢測方法的成本高、檢測速度慢、且檢測機台體積大，故不太適合實際的應用。此外，其他以電致發光(electroluminescence，EL)為理論基礎的太陽能電池檢測方法則無法檢測出擴散長度小幅度的變化，故有鑑別度過低的問題。
    有鑑於此，具有相對較高鑑別度、較簡單架構、及較低檢測成本的太陽能電池檢測方法及裝置，對太陽能電池這個產業是非常有價值的。
    本說明書提供了一種太陽能電池檢測方法的實施例，包含有以下步驟：充電太陽能電池的擴散電容；在充電擴散電容後，放電擴散電容；以及感測太陽能電池在放電步驟中所發射出的光。
    本說明書提供了一種太陽能電池檢測方法的實施例，包含有以下步驟：對太陽能電池施加順向直流偏壓；結束施加順向直流偏壓後，對太陽能電池施加逆向直流偏壓；以及感測太陽能電池在被施加逆向直流偏壓的時段中所發射出的光。
    本說明書提供了一種太陽能電池檢測裝置的實施例，包含有充放電模組及光感測模組。充放電模組用來先充電再放電太陽能電池的擴散電容。光感測模組用來感測充放電模組放電擴散電容時太陽能電池所發射出的光。
    相較於以電子束誘導電流或雷射光束誘導電流為理論基礎的檢測方法，以上實施例的成本低、檢測速度快、檢測機台體積小，且檢測鑑別度高，故較適合實際的應用。相較於其他以電致發光為理論基礎的檢測方法，以上實施例可達到較高的鑑別度，故可以更精確地檢測出太陽能電池中的缺陷。
    請參閱圖1，其繪示了本發明太陽能電池檢測裝置一的實施例示意圖。檢測裝置100用來對一太陽能電池180進行檢測，其中，太陽能電池180可以是單一的太陽能電池單元，也可以是由多個太陽能電池單元所組成的太陽能電池模組。等效上，太陽能電池180包含有虛線所示的擴散電容(diffusion capacitance)CD及其他未繪示於圖中的等效元件(例如等效電阻)。檢測裝置100包含有一充放電模組120及一光感測模組140。充放電模組120用來對太陽能電池180的擴散電容CD先充電再放電。光感測模組140用來感測充放電模組120放電擴散電容CD時太陽能電池180所發射出的光。
    圖2為圖1之充放電模組120的一實施例示意圖。本實施例的充放電模組120包含有一邏輯控制器(logic control stage)125及一橋接電路(bridge)130，橋接電路130包含有開關132、134、136、及138，這四個開關可以是電晶體，其中，開關132及138構成一第一組開關、開關134及136構成一第二組開關。
    電壓VDD是充放電模組120所接受的直流供應電壓。圖2中橋接電路130的正輸出端(+)及負輸出端(-)分別為圖1中充放電模組120的正輸出端(+)及負輸出端(-)。邏輯控制器125用來導通第一組開關132及138並斷路第二組開關134及136以使得第一組開關132及138對太陽能電池180施加順向直流偏壓VF以充電擴散電容CD，或是導通第二組開關134及136並斷路第一組開關132及138以使得第二組開關134及136對太陽能電池180施加逆向直流偏壓VR以放電擴散電容CD。除了用以控制這四個開關以外，邏輯控制器125還可用來控制圖1之光感測模組140的運作，例如控制光感測模組140的快門開啟與關閉。
    光感測模組140可以是一相機，其在一曝光時段內所感測到太陽能電池180的發光量相當於太陽能電池180的發光強度對曝光時段的積分。光感測模組140可將感測到的太陽能電池180的影像傳送給後端的判斷單元(未繪示於圖中)，由判斷單元依據影像判斷太陽能電池180上是否存在缺陷。
    圖3的時序圖繪示了本發明太陽能電池檢測方法一實施例，用來對前述的太陽能電池180進行檢測。圖3的時序圖亦是圖1裝置運作的一個例子。雖然圖1所示的裝置及圖3所示的方法可分別獨立存在，而不構成彼此的限制條件，但為了說明上的方便，後文將搭配此二圖，以一併介紹圖1中的各元件的運作及圖3中的各個步驟。
    首先，於步驟320中，充放電模組120對擴散電容CD充電。如圖所示，本實施例所採用的作法是對太陽能電池180施加順向直流偏壓VF，以讓順向直流電流流經太陽能電池180。在太陽能電池180上少數載子生命週期等於τn的一點，順向直流電流是IF。理論上，本步驟的時間長度需等於或長於τn，且步驟結束前會讓該點的擴散電容累積有IF*τn的電荷量。
    接下來，於步驟340中，充放電模組120對擴散電容CD放電。如圖所示，本實施例所採用的作法是對太陽能電池180施加逆向直流偏壓VR，以讓逐漸回歸為零的逆向直流電流流經太陽能電池180。理論上，本步驟會讓生命週期等於τn的一點的擴散電容從原本IF*τn的電荷量逐漸降低為零。
    於步驟360中，光感測模組140感測充放電模組120放電擴散電容CD時，太陽能電池180所發射出的光。理想上，步驟360與步驟340應同步開始，但若步驟360的開始時間早於步驟340的開始時間，則於步驟360中，光感測模組140還會額外感測到太陽能電池180在步驟320中所發射出部分的光。
    在步驟320中，太陽能電池180會基於電致發光的原理而穩定發光。各點的發光強度約與該點的擴散長度DLn成正比，而發光的時間長度約等於施加順向直流偏壓VF的時間長度。若以光感測模組140感測太陽能電池180於步驟320的整體或部分時段的發光量，則各點的發光量約與該點的擴散長度DLn成正比。然而，由於太陽能電池180上正常點與異常點的擴散長度差距可能不大，執行步驟320時太陽能電池180不同點的發光量的差距也不會太大，換句話說，僅靠前述的正比關係可能不足以清楚鑑別太陽能電池180各點擴散長度的變化。
    在步驟340中，太陽能電池180會基於電致發光及少數載子儲存時間(minority carrier storage time)的原理短暫發光。其各點逐漸降低的光強度約與該點的擴散長度DLn成正比，此外，如後文的公式推導所示，各點發光的時間長度ts約與該點的擴散長度DLn的平方成正比。故若以光感測模組140感測太陽能電池180於步驟340的總發光量，則各點的總發光量約與該點的發光強度與發光時間的乘積成正比，換句話說，各點的總發光量約與該點的擴散長度DLn的三次方成正比。此時，太陽能電池180上正常點與異常點的發光量的差距會較大，換句話說，這樣的三次方關係可大幅提升對太陽能電池180各點擴散長度的鑑別度。
    綜合以上兩段所述，步驟360與步驟320重疊的時段(若兩者有重疊)帶給以上實施例普通的鑑別度，步驟360與步驟340重疊的時段則帶給以上實施例較高的鑑別度。無論這三個步驟的重疊狀況為何，以上各實施例應可得到高於傳統檢測裝置/方法的鑑別度。
    透過以上實施例所得到的太陽能電池180的影像，可以作為對太陽能電池180進行檢測的標的。若影像中某些點的亮度相對過低、或低於一預設閥值，代表該些較暗點的擴散長度較短，且可能是缺陷的所在之處。若太陽能電池180是新製成的產品，則製造商可能需將整個太陽能電池180或太陽能電池180上包含有該些較暗點的電池單元認列為不良品；若太陽能電池180已在使用中，則其維護人員可能需要將整個太陽能電池180或太陽能電池180上包含有該些較暗點的電池單元給替換掉。
    以下為相關的公式推導，其中，τn為太陽能電池180某點的少數載子生命週期、C為該點的等效擴散電容、Q為該點擴散電容C中的電荷量、i為流經該點的電流、R為該點的等效串聯電阻、VC為擴散電容C的跨壓、IF為步驟320中流經該點的順向電流，IR為步驟340開始的瞬間流經該點的逆向電流。
    首先，......(1)
    而在步驟340中，以下式子也會成立
    將上式帶回等式(1)中，可依序導出以下式子

    由於Q(0)=IF*τn，Q(ts)=0，可進一步得出：
    選擇適當的R值使得R*C遠大於τn，則上式可改寫為：
    透過上式可以得知，該點的發光時間ts約與該點的少數載子生命週期τn成正比。而由於τn=DLn 2/D，該點的發光時間ts約與該點的擴散長度DLn的平方成正比。
    對於光感測模組140而言，其感測到的影像強度Iv除了與光強度成正比之外，也與曝光時間成正比，可表示為：
    其中DLn=(D*τn)1/2，且由於ts與τn成正比，因此：
    相較於傳統傳統檢方法，影像強度Iv僅正比於τn 1/2，所以本發明之方法可大幅增加感測影像的對比度。
    回到圖3，若想讓以上實施例有較佳的鑑別度，則步驟360開始的時間點應該等於或早於步驟340開始的時間點、步驟360與步驟320在時間上的重疊越短越好、且步驟340的時間長度tR應不短於太陽能電池180上發光時間ts可能的最大值。當然，在決定這三個步驟的時序時，充放電模組120及光感測模組140的速度限制也需一併納入考量。
    在目前常見的太陽能電池中，少數載子生命週期的數量級約為0.001秒或更低，且通常不會高於0.005秒，因此，在以上實施例中，步驟320的時間長度tF及步驟340的時間長度tR皆短於0.005秒，這樣的安排可以縮短檢測所需的時間。
    如前段所述，圖3所示電壓的變化頻率至少是100Hz，高於一般交流電的60Hz。此外，圖3所示的電壓變化於順向直流偏壓VF與逆向直流偏壓VR之間，此種方波波形不同於一般交流電的弦波波形。若以一般的交流電來取代圖3所示電壓變化，則由於交流電的弦波波形及過慢的頻率，所得到的鑑別度將會大幅降低，且檢測所需的時間也會拖長。
    若想要延長步驟360的感測時間，則可將圖3修改為圖4。在圖4中，步驟320及步驟340各交錯地執行了一次以上，而步驟360的感測時間長於步驟320與步驟340的一個周期。為了提升檢測的鑑別度，圖4中各步驟320的時間長度tF可以短於各步驟340的時間長度tR，且步驟360與各步驟340重疊的時間佔步驟360的總時間的比例越多越好。
    而為了提升檢測的鑑別度及可靠度，在使用本發明的裝置或方法對太陽能電池進行檢測時，還可對溫度、濕度...等環境參數做出適當的控制。
    相較於以電子束誘導電流或雷射光束誘導電流為理論基礎的檢測方法，以上實施例的成本低、檢測速度快、檢測機台體積小，且檢測鑑別度高，故較適合實際的應用。相較於其他以電致發光為理論基礎的檢測方法，以上實施例可達到較高的鑑別度，故可以更精確地檢測出太陽能電池中的缺陷。
    以上所述僅為本發明之較佳實施例，凡依本發明申請專利範圍所做之均等變化與修飾，皆應屬本發明之涵蓋範圍。
    100．．．檢測裝置
    120．．．充放電模組
    125．．．邏輯控制器
    130．．．橋接電路
    132、134、136、138．．．開關
    140．．．光感測模組
    180．．．太陽能電池
    CD．．．擴散電容
    圖1為本發明太陽能電池檢測裝置的一實施例示意圖。
    圖2為圖1之充放電模組的一實施例示意圖。
    圖3為本發明太陽能電池檢測方法的一實施例時序圖。
    圖4為本發明太陽能電池檢測方法的另一實施例時序圖。
    权利要求:
    Claims (10)
    [1] 一種太陽能電池檢測方法，包含有：充電一太陽能電池的一擴散電容；在充電該擴散電容後，放電該擴散電容；以及感測該太陽能電池在該放電步驟中所發射出的光。
    [2] 如請求項1所述的太陽能電池檢測方法，其中該放電步驟包含有：對該太陽能電池施加一逆向直流偏壓以放電該擴散電容。
    [3] 如請求項1所述的太陽能電池檢測方法，其中該充電步驟包含有：對該太陽能電池施加一順向直流偏壓以充電該擴散電容；且該放電步驟包含有：對該太陽能電池施加一逆向直流偏壓以放電該擴散電容。
    [4] 如請求項1或2或3所述的太陽能電池檢測方法，其中該充電步驟的時間長度短於該放電步驟的時間長度。
    [5] 如請求項1或2或3所述的太陽能電池檢測方法，其中該充電步驟及該放電步驟的時間長度皆短於0.005秒。
    [6] 一種太陽能電池檢測方法，包含有：對一太陽能電池施加一順向直流偏壓；結束施加該順向直流偏壓後，對該太陽能電池施加一逆向直流偏壓；以及感測該太陽能電池在被施加該逆向直流偏壓的時段中所發射出的光。
    [7] 如請求項6所述的太陽能電池檢測方法，其中施加該順向直流偏壓的步驟的時間長度短於施加該逆向直流偏壓的步驟的時間長度。
    [8] 如請求項6或7所述的太陽能電池檢測方法，其中施加該順向直流偏壓的步驟的時間長度及施加該逆向直流偏壓的步驟的時間長度皆短於0.005秒。
    [9] 一種太陽能電池檢測裝置，包含有：一充放電模組，用來先充電再放電一太陽能電池的一擴散電容；以及一光感測模組，用來感測該充放電模組放電該擴散電容時該太陽能電池所發射出的光。
    [10] 如請求項9所述的太陽能電池檢測裝置，其中該充放電模組包含有：一邏輯控制器；以及一橋接電路，包含有用來耦接至該太陽能電池的一第一組開關及一第二組開關；其中，該邏輯控制器用來導通該第一組開關並斷路該第二組開關以使得該第一組開關充電該擴散電容，或導通該第二組開關並斷路該第一組開關以使得該第二組開關放電該擴散電容。
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