PrakVersuch EL_1.3 - Sms Enerji Danışmanlık

Elektrolimünenz ve Termografik yöntemlerine Teorik bir bakış
2 Giriş
2.1
Solar Hücrelerin Elektrolimünenz Özellikleri
Sistemin temelinde solar hücrelerin belirli bir miktarda elektriksel gerilime tati tutulması
yatar. Doğru bir ölçüm yöntemi ile yayılan dalga boyları yakalanılarak ölçüm gerçekleştirilir..
Her bir rekombinasyon mekanizmalarına ait olan bu değerler farklı şiddetlerdeki pikler olarak
tespit edilirler.
Solar hücrelerin kalitelerinin tespit edilebilmesi için kullanılan diğer bir yorumlama yöntemi
de, tüm dalga boylarına ait olan Elektrolimünenz sinyallerinin yorumlanmasıdır. "Açık renkli
sinyaller" artı ve eksi ölçüm yöntemlerinde tespit edilirler. Bunun gerçekleşebilmesi için
kullanıcının mutlaka hücrenin limünenz kuvvetine uygun İnfrarot duyarlı kameralara ihtiyacı
olacaktır.
Solar hücrenin artı yönde bir gerilime tabi tutulması ile,elektromanyetik dalgalar, İnfrarot
(λ ≈ 1100 nm) spektrum bölgesinde yayılmaya başlar. Hücre içerisinde ki hatalı bölgeler ve
doğru kontaklanmayan alanlar "siyah" gözlenir.
Gerilimin yasaklı bölge yönünde olması durumunda(eksi yönde) akımın akışı hücre içerisinde
engellenecektir. Bu durumda hücre içerisinde Shunts (p-n-geçiş bölgesinde kısa devre)
gerçekleşecektir ki, akan akım, o bölgede ısı artışına neden olacaktır. İnfrarot kamera bu alanı
ısı kaynağıymış gibi tespit edecektir (bu olay Limünenz olayı değildir.)
Şekil 1 ve Şekil 2 iki farklı hücrenin artı ve eksi gerilime tabi tutulmuş hallerini
göstermektedir. Hücrelerdeki bazı hatalar her iki yöntemde de tespit edilmektedir.
a)
b)
Şekil 1: a) Artı yönde gerilim: Kristallerin tanecik sınırları siyah noktalar olarak gözlenmektedir. Orta da ise
oldukca büyük siyah bir nokta tespit edilmiştir.. b) Eksi yönde gerilim: Bu yöntemde, artı yöntemde gözlenen
siyah noktalar, beyaz noktalar olarak gözlenir.
www.smsenerji.com | www.facebook.com/smsenerji | www.twitter.com/smsenerji
mail:[email protected]
a)
b)
Şekil 2: a) Artı yönde gerilim: Hücrenin sağ tarafında hatalı bir alan tespit edlimiştir. b) Eksi yönde gerilim: Artı
yönde gerilimde gözlenemeyen bi çok küçük hatalar gözlenmektedir..
2.2
Termografinin Temeli
Belirli bir sıcaklığa ulaşan her madde,o andan itibaren belirli miktarda elektromanyetik dalga
yaymaya başlar („Isı Radyasyonu“). Ortaya çıkan tüm radyasyonu absorbe eden bir malzeme,
(α = 1), bu radyasyonu tüm spektral alanda yaymaya başlar (ε = 1) [Kirchhoff Radyasyon
Yasası]. Bu duruma ulaşan malzeme, siyah malzeme olarak adlandırılır.Yarım bir küp
hacmindeki bir ortamda bu malzemeden yayılan Enerjinin Mλ(T) ,dalga boyunun λ ve
sıcaklığın T olması durumunda ,Planck'e göre bu durum aşağıdaki formül ile açıklanır:
 hc  
2πhc 2 
 exp 
M λ (T ) =
 − 1
5

λ 
 λk BT  
−1
(1)
Radyasyon (Wm-2 Mikronmetre-1)
h Planck "Etken Kuantumu" , c "Işık Hızı" ve kB ise "Boltzmann Sabiti" dir. Şekil 3 de tespit
edilen spektrumun değişik sıcaklıklardaki değerlerini göstermektedir.
Dalga boyu (mikronmetre)
Şekil 3: Siyah Malzemenin (1)denklemine göre değişik sıcaklıklarda absorbe etmiş olduğu radyassyon değerleri
www.smsenerji.com | www.facebook.com/smsenerji | www.twitter.com/smsenerji
mail:[email protected]
Yayılan ışığın %100 ünden daha az bir ışını absorbe eden malzeme (ε < 1) durumunda ise,
gri bir malzemeden bahsedilir.
Ortaya çıkan ısı dalgaları, "Isı İletim Eşitliği"nden hesap edilebilinir. :
∂T
∂ 2T
cp ρ
= λw 2 + p
∂t
∂z
(2)
cp malzemenin spesifik ısı kapasitesi, ρ yoğunluk, λw ısı iletim kapasitesi ve p verilen ısı
miktarıdır. Yüzeyde harmonik ısıtma ve soğutma olduğunun varsayılması durumunda p = 0
olacaktır;

z 
− z 
T ( z,t ) = Aexp   exp i ωt − 
Λ 
Λ

Λ=
(3)
2λw
ρc pω
Λ "Termik Difüzyon Uzunluğu" olarak belirtilir.. Bu değer Enerji Taşıyıcıya ait enerji
modülasyon değerinin karekökü ile ters orantılı, Amplitüt Faktörü olan A ise, yüzeye
uygulanan "Güç Yoğunluğu" ile doğru orantılıdır.
2.3
Ölçüm Prensibi
2.3.1 Elektrolüminenz
Elektrolimünenz ölçüm şeması genel olarak aşağıda gösterildiği gibidir.
Şekil 4:Elektrolimünenz ölçümünün şematik olarak gösterilmesi: F. Dreckschmidt et al. 22nd European
Photovoltaic Solar Energy Conference, Milan, 2007)
Solar hücrelere uygulanan artı(düz)yön ölçümlerinde gerekli olan gerilim 0,4 – 0,6 V iken
eksi(ters) yön de uygulanan ölçümlerde gerekli olan gerilim genel olarak -13 V civarındadır.
www.smsenerji.com | www.facebook.com/smsenerji | www.twitter.com/smsenerji
mail:[email protected]
2.3.2 Termografide kilitleme yöntemi
Termografide kullanılan kilitleme yöntemi genel olarak oldukça gücsüz(zayıf) AC sinyallerini
tespit etme amacı ile kullanılır. Bu yöntem de ölçülen zayıf AC sinyali, bilinen frekans flock-in
değeri ile çarpılır. Modüle edilen sinyal, dedektörde seçilen integrasyon zamanı içerisinde
ölçülür. Elde edilen ses sayesinde İntegrasyon değerinden çıkılarak, elde edilen sinyal doğru
akım sinyali olarak ölçülür. Doğru akım sinyalinin Amplitut değeri, fazın modülasyon
değerine bağımlı olarak ayarlanabilir.
2.3.2.1 Sinyallerin Kilitlenmesi
Termografik kilitleme yönteminde, belirli bir frekansda salınımla elde edilerek verilen enerji
sayesinde hücre üzerinde oluşan ısı değişimleri bir termal kamera ile tespit edilir. Her bir
kamera pixel değeri 2 ölçüm değerinden (2-Kanallı korelasyon) oluşur: Isı verici kaynağa
göre, Sıcaklık Modulasyon amplitud değeri 0 derece(0°-Sinyal T0°) ve 90° olarak kaydırılır
(-90°-Sinyal T-90°). Malzemede ısı değişiminin sağlanması öncelikli olduğu için genel olarak
eksi değerdeki faz kayması seçilir. Şekil 5 iki kanallı korelasyonu şematik olarak
göstermektedir.. Alınan F(t)sinyali ilk kanalda sin(t) olarak,ikinci kanal da ise, − cos(t) [-90°]
sinyalleri olarak değerlendirilir.
Her iki kanalda oluşan sonuçları aşağıdaki şemada görebilirsiniz.
Şekil 5: Kamera destekli kilit Termografi yönteminin 2 kanal korelasyonlu prensip şeması.
T 0°(x,y) ve T -90°(x,y) Sinyallerinden ortama bağlı Amplitud A(x,y) ve Isı Modülasyonun faz
değeri olan Φ(x,y) hesaplanabilir:
A(x, y) =
(T (x, y )) + (T (x, y ))
0°
2
−90°
 − T −90° (x.y) 

Φ(x, y) = arctan 0°
 T (x, y ) 
2
(4)
Sonuç olarak kilit-Termografi ölçümü sonunda 4 farklı ölçüm değeri ve bunların fotografları
ortaya çıkartılabilir: 0°-ait Fotoğraf, - 90°ye ait Fotoğraf, Faz'a bağımlı olmayan Amplitut
Fotoğrafı ve Faz Fotoğrafı (Şekil 6).
Şekil 6: Farklı Fotoğrafların karşılaştırılması.(a) Amplitut fotoğrafı -0:7 … 7 mK, (b) Yüksek Kontrastlı
Amplitut Fotoğrafı -0,07 … 0,7 mK, (c) Faz Fotoğrafı -150 … 0°, (d) 0°-Fotoğrafı -0,5 … 5 mK, (e) Yüksek
Kontrastlı 0° Fotoğrafı -0,05 … 0,5 mK, (f) -90°-Fotoğrafı -0,2 … 2 mK
Amplitut fotoğrafı dağıtılan ısı miktarını gösterirken, Faz fotoğrafı ise lokal ısı kaynağını
farklı güçlerde görünür hale getirir. Faz fotoğrafında ise, lokal ısı kaynağı farklı güçlerde
görünür hale getirilir. Ancak
s
şu da bir gerçektir ki, noktasal ısı kaynağının en yüksek
çözünürlükteki fotoğrafı 0°-fotoğrafda gözlenir..
Literatur:
S.M. Sze, Physics of Semiconductor Devices, Wiley, New York
O. Breitenstein, W. Warta, M. Langenkamp, Lock-in Thermography, Springer
Not: Bu derleme SMS Enerji tarafından gerçekleştirilmiş olup, derlemenin tümü ya da
bir kısmı SMS Enerji'nin yazılı izni olmadan basılamaz ve dağıtılamaz
www.smsenerji.com
mail: [email protected]
www.smsenerji.com | www.facebook.com/smsenerji | www.twitter.com/smsenerji
mail:[email protected]