Betrachtung und Analyse zur Auswertung von Solarzellen
In den letzten Jahren sind die Reduzierung des Verbrauchs fossiler Brennstoffe und der Einsatz von Photovoltaik zu beliebten Mitteln geworden, um die globale Erwärmung abzuschwächen und die Umwelt zu schonen. Der Hauptvorteil von Solarzellen besteht darin, dass sie überall dort, wo sie dem Sonnenlicht ausgesetzt sind, eine unbegrenzte Menge an Energie gewinnen können, ohne die Umwelt zu schädigen. Aus diesem Grund und weil die Effizienz der Stromerzeugung nicht von der Größe der Anlage abhängt, steigt die Nachfrage nach Photovoltaik.
In diesem Abschnitt werden grundlegende Kenntnisse über Solarzellen, einschließlich des Funktionsprinzips und des Aufbaus, vermittelt. Außerdem werden Beispiele für eine hochauflösende Betrachtung, eine präzise Messung und Analyse sowie eine quantitative Auswertung mit höherer Effizienz vorgestellt.
- Funktionsprinzip, Aufbau und Wirkungsgrad von Solarzellen
- Probleme bei der Betrachtung, Messung, Analyse und Auswertung von Solarzellen
- Die neuesten Anwendungsbeispiele unseres Mikroskops, das die Effizienz der Betrachtung, Messung und Analyse verbessert und eine quantitative Auswertung von Solarzellen ermöglicht
- Ein 4K-Mikroskop, das die Betrachtung, Messung, Analyse und Auswertung von Solarzellen optimiert
Funktionsprinzip, Aufbau und Wirkungsgrad von Solarzellen
Die wichtigsten derzeit erhältlichen Solarzellen sind Silizium-Solarzellen oder Verbund-Halbleiter-Solarzellen. Silizium-Solarzellen werden aktuell am häufigsten verwendet, doch der Marktanteil von Verbund-Halbleiter-Solarzellen nimmt zu, da sie einen Vorteil bei den Produktionskosten haben. Im Folgenden werden das grundlegende Funktionsprinzip und der Aufbau von Solarzellen sowie die typischen Materialien und Wirkungsgrade von Silizium-Solarzellen und Verbund-Halbleiter-Solarzellen erläutert.
Funktionsprinzip von Solarzellen
Die üblicherweise verwendeten Silizium-Solarzellen haben einen internen Übergang aus zwei Arten von Halbleitern, dem p-Typ und dem n-Typ, die jeweils unterschiedliche elektrische Eigenschaften haben.
Wenn ein Solarmodul dem Sonnenlicht ausgesetzt wird, werden Elektronen (negativ) und Löcher (positiv) erzeugt. Löcher werden vom p-Typ-Halbleiter angezogen, während Elektronen vom n-Typ-Halbleiter angezogen werden. Wenn zum Beispiel eine Last, wie eine Glühbirne, an die Elektroden der Vorder- und Rückseite angeschlossen wird, fließt elektrischer Strom durch den Übergang, wie in der folgenden Abbildung gezeigt.
- A: Antireflexionsfolie
- B: n-Typ-Silizium
- C: p-Typ-Silizium
- D: Elektroden
- E: Strom
Aufbau von Solarzellen
Die Einheiten und ihre Namen werden im Folgenden erläutert. Eine Abbildung zeigt den Aufbau und die Bezeichnungen der Einheiten.
- A: Zelle
- B: Modul
- C: Array
- Zelle
- Eine Zelle ist die kleinste Einheit.
- Zell-String oder Zell-Array
- Eine einzelne Zelle gibt eine niedrige Spannung ab. Ein Zell-String enthält mehrere Zellen, die in Reihe geschaltet sind, um die erforderliche Spannung zu erzeugen.
Ein Zell-Array enthält mehrere in Reihe oder parallel geschaltete Zell-Strings, um die Leistung weiter zu erhöhen.
- Modul
- Ein Modul, auch Solarmodul genannt, ist ein Paket mit mehreren Zell-Arrays für den Außeneinsatz. Ein Modul ist mit Kunststoff oder verstärktem Glas überzogen, um die inneren Zellen zu schützen, und wird mit einem äußeren Rahmen befestigt, um seine Festigkeit zu erhöhen.
- Array
- Mehrere Module werden zu einem Array verbunden.
Wirkungsgrade und Materialien von Solarzellen
Eine wichtige Kennzahl für die Leistung von Solarzellen ist der Wirkungsgrad der Energieumwandlung. Der Wirkungsgrad der Energieumwandlung ist ein Parameter, der angibt, welcher Anteil der einfallenden Sonnenenergie in elektrische Energie umgewandelt wird. Der Wirkungsgrad der Module und der Wirkungsgrad der Zellen sind zwei repräsentative Kennzahlen für die Effizienz der photovoltaischen Energieumwandlung. Die beiden Wirkungsgrade der Energieumwandlung werden im Folgenden erläutert.
- Wirkungsgrad des Moduls
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Der Modulwirkungsgrad wird üblicherweise als Kennzahl für die Stromerzeugungsfähigkeit eines Solarmoduls (Solarpanel) verwendet. Der Modulwirkungsgrad ist ein Prozentsatz der elektrischen Energie, die aus etwa 1 kW Lichtenergie pro 1 m² Solarmodul umgewandelt wird.
- Wirkungsgrad der Zellen
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Eine Zelle ist die kleinste Einheit, aus der ein Solarmodul besteht. Der Zellwirkungsgrad ist die Kennzahl für die Effizienz der Energieumwandlung pro Solarzelle. Der Zellwirkungsgrad kann mit der folgenden Formel berechnet werden.
Dank kontinuierlicher Forschung und Entwicklung werden die Wirkungsgrade der Module und Zellen Jahr für Jahr verbessert. Die moderne Technologie kann jedoch nicht 100% der einfallenden Lichtenergie absorbieren und 100% der absorbierten Lichtenergie in Elektrizität umwandeln. Dies liegt an verschiedenen Faktoren wie der Lichtreflexion an den Solarzellen und dem Widerstand der Zellen.
- Materialien und Eigenschaften von Solarzellen
- Für Solarzellen werden je nach Anwendung, den für die Anwendung erforderlichen Funktionen und den zu erwartenden Kosten verschiedene Materialien verwendet. Der Wirkungsgrad variiert entsprechend. Daher arbeiten die Hersteller an der Erforschung und Entwicklung von Materialien und Herstellungsverfahren, um einen höheren Wirkungsgrad und niedrigere Kosten zu erreichen.
Im Folgenden werden Solarzellen in den Siliziumtyp und den Verbundhalbleitertyp eingeteilt und die repräsentativen Materialien und ihre Eigenschaften für jeden Typ erläutert.
- Silizium-Solarzelle
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- Monokristall
- Solarzellen aus monokristallinem Silizium sind zwar teuer, haben aber einen hohen Wirkungsgrad und sind sehr zuverlässig.
- Polykristall
- Am häufigsten werden polykristalline Siliziumzellen verwendet, da polykristallines Silizium billiger ist als monokristallines Silizium.
- Amorphes Silizium
- Da es sich bei amorphem Silizium um nicht-kristallines Silizium handelt, sind Solarzellen aus amorphem Silizium billiger als solche aus polykristallinem Silizium, haben aber einen niedrigen Wirkungsgrad.
- Multi-Junction-Zellen
- Verschiedene Arten von Solarbatterien, darunter amorphes Silizium und polykristallines Dünnschichtsilizium, werden zu einer Tandemstruktur laminiert. Dieser Solarzellentyp hat einen hohen Wirkungsgrad.
- Verbund-Halbleiter-Solarzelle
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- Kupfer-Indium-Selenid (CIS)
- CIS-Solarzellen werden aus Kupfer, Indium und Selenid hergestellt. Diese Art von Solarzelle kann kostengünstig hergestellt werden, hat aber einen relativ hohen Wirkungsgrad.
- Kupfer-Indium-Gallium-Selenid (CIGS)
- Wenn zu den drei Elementen, die für CIS-Solarzellen verwendet werden, noch Gallium hinzukommt, verwenden CIGS-Solarzellen vier Elemente. Dieser Solarzellentyp hat einen etwas höheren Wirkungsgrad als CIS-Solarzellen.
- Cadmiumtellurid (CdTe)
- CdTe-Solarzellen werden aus Cadmium und Tellur hergestellt. Dieser Typ wird hauptsächlich in Europa verwendet.
- Galliumarsenid (GaAs)
- GaAs-Solarzellen werden aus Gallium und Arsenid hergestellt. Diese Art von Solarzelle hat einen hohen Wirkungsgrad, ist aber teuer. Sie wird in Satelliten und in ähnlichen Anwendungen eingesetzt.
Probleme bei der Betrachtung, Messung, Analyse und Auswertung von Solarzellen
In der Photovoltaik-Industrie erforschen und entwickeln die Hersteller angesichts der Notwendigkeit, die Umwelt zu schonen, und der wachsenden Nachfrage nach erneuerbaren Energien Solarzellen, die einen höheren Wirkungsgrad bei geringeren Kosten bieten. Sie konkurrieren miteinander, um neue Märkte zu erobern. Außerdem ist ein hohes Maß an Qualitätssicherung und -kontrolle erforderlich, um stabile Photovoltaik- und Stromspeicherprodukte zu liefern und die Zuverlässigkeit während des Betriebs zu gewährleisten.
Solarzellen weisen Oberflächenunregelmäßigkeiten auf, um die Oberfläche zu vergrößern. Jeder Bereich besteht aus einer Mischung unterschiedlicher Materialien mit unterschiedlichen Farben und glänzenden Oberflächen. Dies erschwert die genaue Betrachtung, Messung und Analyse mikroskopisch kleiner Teile – wie z. B. Elektroden – von fehlerhaften Produkten und Prototypen, was diese Vorgänge zeitintensiv macht.
Die Betrachtung, Messung, Analyse und andere damit zusammenhängende Aufgaben mit optischen Mikroskopen erfordern viel Zeit und Mühe und ein hohes Maß an Fachwissen. Wird hingegen eine Skala zur visuellen Messung verwendet, können die gemessenen Werte von Bediener zu Bediener variieren.
Bei der Verwendung eines Rasterelektronenmikroskops (REM) zur Messung des Querschnitts ist die Vorbereitung sehr zeit- und arbeitsaufwändig. Es ist auch schwierig, Materialien und Fremdkörper in defekten Bereichen zu identifizieren, da REMs keine Farbbetrachtung unterstützen.
Die neuesten Anwendungsbeispiele unseres Mikroskops, das die Effizienz der Betrachtung, Messung und Analyse verbessert und eine quantitative Auswertung von Solarzellen ermöglicht
Der jüngste technologische Fortschritt bei Digitalmikroskopen beseitigt die Probleme, mit denen optische Mikroskope zu kämpfen haben, und verbessert die Effizienz der Betrachtung, Messung und Analyse erheblich. Unser neuestes Digitalmikroskop verfügt über eine automatische Assistenzfunktion, die die Betrachtung mit hochauflösenden Bildern, präzise 2D- und 3D-Messungen und die Partikelzählung im Detail von Solarzellen leicht ermöglicht.
Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX von KEYENCE bietet mit seiner hohen Funktionalität, die mit einfachen Bedienelementen zugänglich ist, klare Bilder und genaue Maßhaltigkeitsprüfungen mit Hilfe von hochauflösenden HR-Objektiven, einem 4K-CMOS-Bilderfassungssensor sowie Beleuchtungs- und Bildverarbeitungstechnologien. Damit wird die Effizienz und Geschwindigkeit der Vorgänge von der Betrachtung, Messung und Analyse bis zur Erstellung von Berichten für Solarzellen mit einem einzigen System erheblich verbessert.
Lesen Sie weiter, um eine Einführung in Beispiele für die Betrachtung, Messung und Analyse von Solarzellen mit der Modellreihe VHX zu erhalten.
3D-Messung der Elektrodenform
Um den Wirkungsgrad von Solarzellen zu erhöhen, müssen sowohl die Breite als auch die Höhe der Elektroden minimiert werden. Wenn ein teures Material, wie z. B. Gold, für Elektroden verwendet wird, kann eine Minimierung des Volumens die Kosten senken.
Es ist schwierig, feine Elektrodenformen mit optischen Mikroskopen genau zu messen, so dass es unmöglich ist, 3D-Formen schnell zu messen.
Mit dem Digitalmikroskop der Modellreihe VHX können Sie 3D-Formen mit einem vergrößerten, hochauflösenden Bild mit einer Präzision im Mikrometerbereich messen. Die Kombination aus einer Farbkarte, die Höhendaten visualisiert, und einer Profilmessung an mehreren festgelegten Stellen erleichtert den Vergleich mikroskopischer Formen.
Querschnittbetrachtung von defekten Bereichen
Bei der Betrachtung eines polierten Querschnitts von eingebettetem Kunststoff unter einem Lichtmikroskop mit hohen Vergrößerungen machen es selbst feine Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche unmöglich, die gesamte Oberfläche in den Fokus zu rücken, was eine klare Betrachtung verhindert. Vorbereitungen wie das vollständige oder fast vollständige Evakuieren der Probenkammer nehmen viel Zeit in Anspruch, wenn Sie einen Querschnitt mit einem Rasterelektronenmikroskop (REM) betrachten. Es ist auch schwierig, Materialveränderungen zu erkennen und im Querschnitt vermischte Fremdkörper zu identifizieren, da REMs keine Farbbetrachtungen unterstützen.
Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX verfügt über einen 4K-CMOS-Bilderfassungssensor und eine hohe Tiefenschärfe, die durch ein neu entwickeltes optisches System erreicht wird. Diese Merkmale ermöglichen eine Betrachtung mit hochauflösenden Farbbildern, die im gesamten Sichtfeld vollständig fokussiert sind, ohne durch Oberflächenunregelmäßigkeiten der Proben beeinträchtigt zu werden.
Mit dem nahtlosen Zoom, der die Vergrößerungsstufe der Betrachtung automatisch von 20x auf 6000x umschaltet, ohne dass die Objektive ausgetauscht werden müssen, kann die Vergrößerung schnell mit einer Maus oder einer Konsole umgeschaltet werden, was eine hochauflösende Betrachtung von Querschnittsproben mit einfachen Handgriffen ermöglicht.
Betrachtung von Solarmodulen (Panels)
Die Betrachtung von Solarmodulen (Panels) mit optischen Mikroskopen ist schwierig, weil verschiedene Materialien mit unterschiedlichen Farben und glänzenden Oberflächen auf den Oberflächen vermischt sind und weil feine Unregelmäßigkeiten und Kratzer auf den Oberflächen einen geringen Kontrast aufweisen.
Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX ist mit der HDR-Funktion (High Dynamic Range) ausgestattet, die mehrere mit unterschiedlichen Verschlusszeiten aufgenommene Bilder kombiniert, um ein Bild mit hoher Farbabstufung zu erhalten, das eine Betrachtung mit kontrastreichen Bildern ermöglicht, die Texturen hervorheben. Selbst bei einer gekippten Betrachtung mit dem System zur Betrachtung aus jedem beliebigen Winkel können die Proben in Bildern betrachtet werden, die mit der Tiefenzusammensetzung auf die gesamte Tiefe fokussiert sind.
Partikelzählung auf Wafer-Oberflächen
Mit Funktionen, die automatische Vorgänge unterstützen, wie z. B. der Multi-Lighting-Funktion, bei der der Bediener nur ein für die Betrachtung geeignetes Bild aus mehreren unter automatisch gesteuerter omnidirektionaler Beleuchtung aufgenommenen Bildern auswählen muss, kann das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX die Bestimmung der Beleuchtungsbedingungen für die Betrachtung vereinfachen und die benötigte Zeit reduzieren. Natürlich können vergangene Einstellungen für andere Proben leicht reproduziert werden.
Zusätzlich können Flächenmessung und Partikelzählung automatisch in einem bestimmten Bereich mit einfachen Handgriffen durchgeführt werden. In diesem Bereich können nicht benötigte Messobjekte ausgeschlossen, sich überschneidende Messobjekte getrennt und andere nützliche Funktionen genutzt werden.
Diese Funktionen ermöglichen es jedem Bediener, schnell präzise Analyseergebnisse zu erzielen, ohne dass numerische Fehler auftreten, die auf die Erfahrung oder den Kenntnisstand des Bedieners zurückzuführen sind.
Ein 4K-Mikroskop, das die Betrachtung, Messung, Analyse und Auswertung von Solarzellen optimiert
Das Digitalmikroskop der Modellreihe VHX ermöglicht eine zuverlässige Betrachtung mit einfacher Bedienung und der klaren Bildqualität, die nur mit hochauflösenden 4K-Bildern möglich ist. Dieses Mikroskop verwendet Betrachtungsbilder für die 2D- und 3D-Messung (3D-Form) und die automatische Flächenmessung/Zählung, was eine schnelle Erfassung numerischer Daten und eine quantitative Auswertung ohne menschliche Fehler ermöglicht.
Die Modellreihe VHX ist ein leistungsstarkes Werkzeug, das verschiedene Probleme von Lichtmikroskopen und REMs mit einem einzigen System löst und die Arbeitseffizienz erheblich verbessert. Darüber hinaus kann auf der Modellreihe VHX wie auf einem PC eine Tabellenkalkulationssoftware installiert werden, die sogar die automatische Erstellung von Berichten ermöglicht, indem Bilder und Messwerte in eine im Voraus erstellte Vorlage ausgegeben werden. Diese Funktionen sorgen für genauere und schnellere Arbeitsabläufe, was für eine rasche Forschung und Entwicklung von Produkten, die denen Ihrer Mitbewerber überlegen sind, für eine schnelle Umsetzung der Qualitätssicherung und für eine Verringerung des Zeitaufwands für die Qualitätskontrolle unerlässlich ist.
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