بخشی از مقاله
چکیده
استفاده از انرژيهاي نو روز به روز در حال افزایش است. بعد از تولید و تجاريسازي سلولهاي خورشیدي نسل اول مبتنی بر ویفرهاي سیلیکونی، نسلهاي جدید آن مبتنی بر مواد آلی، پلیمري و تین فیلمها ارائه شدند. در تینفیلمها تبدیل انرژي خورشید به الکتریکی در لایههاي نازك در ضخامتی در حد چند میکرومتر انجام میپذیرد. براي تجاريسازي آن غیر از مصرف بهینه مواد، باید به راندمان مناسب توان تولیدي نیز دست یافت. در تبدیل سلول خورشیدي به دیوایسهاي فوتوولتائیک در مقیاس بزرگتر ناهمگنیهاي ابعادي به علت تغییر سایز اتفاق میافتد که موجب از دست رفتن راندمان شده و تولید تجاري این سلولهاي خورشیدي را با مشکل مواجه نموده است. در این تحقیق بررسی مسئله ناهمگنی با استفاده از تکنیکهاي تصویربرداري پیشرفته آزمایشگاهی با تکیه بر تحقیقات انجامشده در این زمینه صورت گرفته است.
.1 مقدمه
فنآوري سلولهاي خورشیدي به طور سنتی به سه نسل تقسیم شده است. سلولهاي خورشیدي نسل اول به طور عمده مبتنی بر ویفرهاي سیلیکونی هستند و به طور معمول عملکرد حدود 15 تا 20 درصد را نشان میدهند. این نوع از سلولهاي خورشیدي بر بازار تسلط دارند و به طور عمده بر روي پشتبامها دیده میشوند. از مزایاي تکنولوژي این نوع از سلولهاي خورشیدي داشتن عملکرد خوب و همچنین پایداري بالایشان میباشد. با این حال آنها سفت و سخت هستند و نیاز به مقدار زیادي انرژي در تولید دارند.
سلولهاي نسل دوم مبتنی بر سلیکون آمورف هستند. CIGS - ترکیب مس، ایندیوم، گالیوم، سلنیوم - و CdTe - کادمیوم تلوراید - که عملکرد معمولی آن 10 تا 15 درصد است. از آنجاکه در سلولهاي خورشیدي نسل دوم از ویفر سلیکون استفاده نمیشود با کاهش مصرف مواد ممکن است باعث کاهش هزینههاي تولید این نوع از سلولهاي خورشیدي در مقایسه با نسل اول شود.سلولهاي خورشیدينسلدومبا انعطافپذیريتا چنددرجه میتوانندتولیدشوند با این حال چون تولید سلولهاي خورشیدي نسل دوم شامل فرآیندهاي خلاء و رفتار آن در دماهاي بالا است، هنوز هم مقدار مصرف انرژي زیادي در ارتباط با تولید این سلولهاي خورشیدي وجود دارد. علاوه بر این سلولهاي خورشیدي نسل دوم مبتنی بر عناصر کمیاب هستند و این یک عامل محدودکننده در قیمت میباشد.
نسل سوم سلولهاي خورشیدي از مواد آلی مانند مولکولهاي کوچک یا پلیمرها استفاده میکنند. بنابراین، سلولهاي خورشیدي پلیمري زیردستهاي از سلولهاي خورشیدي آلی هستند. نسل سوم همچنین عملکرد بالاي آزمایشی چنداتصالی سلولهاي خورشیدي را پوشش میدهند که رکورد جهانی در عملکرد سلولهاي خورشیدي را نگه میدارد. چون قیمت تولید آن بسیار بالا است این نوع تنها تا حدي یک برنامه تجاري است. دستهاي از سلولهاي خورشیدي فیلم نازك که در حال حاضر تحت بررسی میباشد، سلولهاي خورشیدي پروسکایت1 هستند و پتانسیل عظیمی با بازده رکورد فراتر از 20 درصد را در یک ناحیه کوچک نشان میدهند. سلولهاي خورشیدي پلیمري یا سلولهاي خورشیدي پلاستیکی، از سوي دیگر مزایاي متعددي را ارائه میدهند، به عنوان یک نمونه ساده، تولید سریع و ارزان در مقیاس بزرگ و استفاده از موادي که به راحتی در دسترس هستند و به طور بالقوه ارزان هستند. سلولهاي خورشیدي پلیمري می تواند با فناوري شناخته شده رول به رول صنعتی - R2R - ساخته شود که میتواند با چاپ روزنامهها مقایسه شود. اگرچه عملکرد و ثبات سلولهاي خورشیدي نسل سوم هنوز هم محدود است اما در مقایسه با سلولهاي خورشیدي نسل اول و دوم، آنها داراي پتاسیل زیاد و در حال حاضر به وسیلهي برخی شرکتها تجاري شدهاند.
تکنولوژي فوتو ولتائیک تین فیلم2 در مقیاسهاي بزرگ براي تبدیل انرژي نور خورشید به انرژي الکتریکی توسط یک ساختار چندلایهاي نازك در حد چند میکرومتر انجام میپذیرد. امروزه استفاده از دیوایسهاي فوتو ولتائیک با توجه به نیاز دنیا به انرژيهاي تجدید پذیر چه در مقیاس چند میلیواتی و چه در مقیاس تولید نیروگاههاي برق خورشیدي چند مگاواتی، رو به افزایش است. آنچه که در همه ژنراتورهاي فوتوولتائیک مشهود است آن است که صرف نظر از اندازه تکنولوژي، یک ناحیه فعال وجود دارد که عیوب ناهمگنی ناشی از افزایش مقیاس میتواند در آن رخ دهد و موجب کاهش عملکرد گردد. براي حل این مسئله در این تحقیق ویژگیهاي ابعادي سلولهاي فوتوولتائیک تین 3فیلم بررسی شده است و براي بازرسی و حل مسئله ناهمگنی ابعادي تکنیکهایی مانند تصویربرداري ویژوآل4، تصویربرداري لومینسانس5، مپینگ تحریک پرتو نوري6 بررسی خواهد شد که پیشنهاد میگردد از آن در خط تولید سلولهاي فوتوولتائیک و ماژولهاي آن براي رسیدن به راندمان و بازدهی بالاتر استفاده گردد.
.2 روش هاي حل مسئله ناهمگنی ابعادي سلولهاي فوتو ولتائیک تینفیلم تکنیکهایی که براي مشخصات ابعادي ارائه شده است عبارتند از : تصویربرداري نوري7، جریان ناشی از تحریک پرتو نور8، لومینسانس الکترونیکی و نوري9، و ترموگرافی - حرارتی - .10 که تاکید ما در این تحقیق بر روي تکنیکهاي لومینسانس خواهد بود.
رفع مشکل ناهمگنی فضایی سیلیکون در تبدیل مقیاس کوچک به بزرگ در دیوایسهاي فوتو ولتائیک بوسیله برخی تکنیکها خواهد بود که با توجه به چگونگی بهدستآوردن دادهها ، این تکنیکها به دو گروه تقسیم میشوند: -1 تکنیکهاي اسکنکردن -2 تکنیکهاي تصویربرداري.
براي یک روش اسکن، بخش محلی کوچکی از یک دستگاه PV با یک پرتو انرژي تحریک میشود و پاسخ الکتریکی کل دستگاه اندازهگیري میشود. تکنیکها توسط هر دو نوع تحریک پرتو و مقدار اندازهگیري تعریف شدهاند و شامل موارد زیر است: جریان ناشی از پرتو الکترونی - EBIC - ، جریان ناشی از پرتو نور - LBIC - ، ولتاژ ناشی از پرتو نور - LBIV - و مشخصات محلی سلولهاي خورشیدي . - CELLO -
یک پروسه مرحله به مرحله براي اسکن کل سطح دستگاه تحت آزمون11 - یا - DUT به منظور تولید نقشهي ابعادي از عملکرد DUT مورد نیاز است. این تکنیکها زمان زیادي را صرف نموده و معمولا تا چند ساعت طول میکشد . تکنیکهاي تصویربرداري مبتنی بر دست آوردن خصوصیات محلی از کل دستگاه PV با استفاده از تجهیزات عکسبرداري در یک مرحله هستند. یک تصویر را میتوان ظرف چند ثانیه یا چند دقیقه به دست آورد. در این مورد تکنیکهاي مختلف با توجه به نوع تحریک و فیزیک بنیادي آن تعریف شدهاند که برخی از تکنیکها بصورت زیر هستند: تصویربرداري نوري، تصویربرداري لومینسانس و تصویربرداري حرارتی.
در تصویربرداري نوري از یک دوربین معمولی براي به دست آوردن انعکاس یا انتقال نور از DUT در حالی که توسط یک منبع نور مشخص روشن شده است استفاده میگردد.
تکنیک هاي لومینسانس، از یک دوربین حساس کم نویز بصري نزدیک به مادون قرمز - VIS- NIR - یا طول موج کوتاه مادون قرمز - - SWIR براي به دست آوردن فوتونهاي در حالت گسیل توسط یک بازترکیب تابشی استفاده میکند.
دو روش با توجه به نوع تحریک از یکدیگر متمایز میشوند: فتولومینسانس - PL - براي تحریک نوري و الکترولومینسانس - EL - براي تحریک الکتریکی.تکنیکهاي لومینسانس بریک رابطه متقابل12 براي مرتبط ساختن شدت لومینسانس با عملکرد PV متکی هستند.
تکنیکهاي تصویربرداري حرارتی براي اندازهگیري اختلاف دما استفاده میشود که ناشی از متفاوتبودن اتلاف توان در سراسر DUT است. یک دوربین حرارتی استاندارد زمانی استفاده میشود که اختلاف درجه حرارت چند درجه سانتیگرادي - C0 - انتظار میرود، به عنوان مثال براي عملکرد ماژول PV روشنشده در اتصال کوتاه. براي اندازه گیري دقیق اختلاف دما از یکدهم درجه سانتیگراد از تکنیکهاي ویژهاي که قفل در ترموگرافی13 نامیده میشود استفاده شده است. با توجه به محدوده طیفی تابش الکترومغناطیسی در روشهاي مختلف، از بخشهاي مختلفی از طیف - با همپوشانی - بهرهبرداري میگردد. - شکل - 1 تصویربرداري نوري در محدوده طیفی قابل مشاهده عمل میکند. تکنیک هاي ناشی از پرتو نور معمولا از منابع لیزر در محدوده قابل دید مادون قرمز - NIR - استفاده میکند. پرتو لومینسانس در محدودهي NIR به SWIR ساطع میشود.
