Osservazione e analisi per la valutazione delle celle solari
Negli ultimi anni, la riduzione del consumo di combustibili fossili e l'uso del fotovoltaico sono diventati metodi popolari per prevenire il riscaldamento globale e preservare l'ambiente. Il vantaggio principale delle celle solari è che è possibile ottenere una quantità illimitata di energia ovunque sia disponibile la luce del sole, senza alcun danno per l'ambiente. Per questo motivo e per il fatto che l'efficienza della produzione di energia non dipende dalle dimensioni dell'impianto, la domanda di fotovoltaico è in crescita.
Questa sezione introduce le conoscenze di base sulle celle solari e presenta alcuni esempi dei migliori metodi di osservazione e analisi.
- Principio di funzionamento, struttura ed efficienza di conversione di potenza delle celle solari
- Problemi di osservazione, misurazione, analisi e valutazione delle celle solari
- Esempi di come migliorare l'osservazione, la misurazione e l'analisi delle celle solari
- Un microscopio 4K che rivoluziona l'osservazione, la misurazione, l'analisi e la valutazione delle celle solari
Principio di funzionamento, struttura ed efficienza di conversione di potenza delle celle solari
Le principali celle solari attualmente disponibili sono le celle solari al silicio o le celle solari a semiconduttore composto. Sebbene le celle solari al silicio siano le più utilizzate, la quota di mercato delle celle solari a semiconduttore composto è in aumento, dal momento che presentano un vantaggio in termini di costi di produzione. Di seguito vengono illustrati il principio di funzionamento e la struttura di base delle celle solari, nonché i materiali tipici e le efficienze di conversione di potenza delle celle solari al silicio e a semiconduttore composto.
Principio di funzionamento delle celle solari
Le celle solari al silicio, comunemente utilizzate, presentano una giunzione interna di due tipi di semiconduttori, il tipo p e il tipo n, ciascuno con proprietà elettriche diverse.
Quando un pannello solare è esposto alla luce del sole, si generano elettroni (negativi) e buchi (positivi). I buchi vengono attratti dal semiconduttore di tipo p, mentre gli elettroni vengono attratti dal semiconduttore di tipo n. Ad esempio, quando un carico, come una lampadina, viene collegato agli elettrodi del lato anteriore e posteriore, la corrente elettrica passa attraverso la giunzione come mostrato nella figura seguente.
- A: Pellicola antiriflesso
- B: silicio di tipo n
- C: silicio di tipo p
- D: Elettrodi
- E: Corrente
Struttura delle celle solari
Le unità e i loro nomi sono spiegati e illustrati nella figura seguente.
- A: Cella
- B: Modulo
- C: Array
- Cella
- Una cella è l'unità minima.
- Stringa di celle o array di celle
- Una singola cella emette una bassa tensione. Una stringa di celle contiene più celle collegate in serie per generare la tensione richiesta.
Un array di celle contiene più stringhe di celle collegate in serie o in parallelo per aumentare ulteriormente la resa.
- Modulo
- Un modulo, chiamato anche pannello solare, è un pacchetto contenente più celle per uso esterno. Un modulo è rivestito di resina o vetro rinforzato per proteggere le celle interne ed è fissato con un telaio esterno per aumentarne la resistenza.
- Array
- Più moduli vengono collegati a formare un array.
Efficienze di conversione di potenza e materiali delle celle solari
Un importante indicatore delle prestazioni delle celle solari è l'efficienza di conversione della potenza. L'efficienza di conversione della potenza è un parametro che indica la frazione di energia solare incidente convertita in energia elettrica. L'efficienza di conversione di potenza del modulo e l'efficienza di conversione di potenza della cella sono due indicatori rappresentativi dell'efficienza di conversione di potenza del fotovoltaico. Le due efficienze di conversione di potenza sono spiegate di seguito.
- Efficienza di conversione di potenza del modulo
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L'efficienza di conversione di potenza del modulo viene comunemente utilizzata per indicare la capacità di generazione di energia di un modulo solare (pannello solare). L'efficienza di conversione di potenza del modulo è una percentuale di energia elettrica convertita da circa 1 kW di energia luminosa per 1 m² di modulo solare.
- Efficienza di conversione di potenza della cella
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Una cella è l'unità minima che compone un modulo solare. L'efficienza di conversione di potenza della cella indica l'efficienza di conversione di potenza per cella solare. L'efficienza di conversione della potenza della cella può essere ricavata con la seguente formula.
Grazie alla continua ricerca e sviluppo, le efficienze di conversione di potenza di moduli e celle migliorano di anno in anno. Tuttavia, la tecnologia moderna non è in grado di assorbire il 100% dell'energia luminosa incidente e di convertire il 100% dell'energia luminosa assorbita in elettricità a causa di vari fattori, come la riflessione della luce sui pannelli solari e la resistenza delle celle.
- Materiali e caratteristiche delle celle solari
- Le celle solari utilizzano diversi materiali a seconda delle funzioni richieste dall'applicazione e dei costi previsti. L'efficienza della conversione di potenza varia di conseguenza. Per questo motivo, i produttori stanno lavorando alla ricerca e allo sviluppo di materiali e processi produttivi per ottenere una maggiore efficienza di conversione dell'energia e costi inferiori.
Di seguito, le celle solari sono classificate nel tipo a silicio e a semiconduttore composto; per ciascun tipo vengono illustrati i materiali rappresentativi e le relative caratteristiche.
- Cella solare al silicio
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- Monocristallino
- Le celle solari che utilizzano il silicio monocristallino sono costose ma hanno un'elevata efficienza di conversione e affidabilità.
- Policristallino
- Le celle in silicio policristallino sono le più utilizzate perché il silicio policristallino è più economico del silicio monocristallino.
- Silicio amorfo
- Dal momento che il silicio amorfo è un silicio non cristallino, le celle solari che utilizzano il silicio amorfo sono più economiche di quelle che utilizzano il silicio policristallino, ma hanno una bassa efficienza di conversione di potenza.
- Celle a giunzione multipla
- Vari tipi di celle solari, tra cui il silicio amorfo e il silicio policristallino a film sottile, vengono laminati per creare una struttura tandem. Questo tipo di cella solare ha un'elevata efficienza di conversione di potenza.
- Cella solare a semiconduttore composto
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- Seleniuro di rame e indio (CIS)
- Le celle solari CIS sono realizzate con rame, indio e seleniuro. Questo tipo di cella solare può essere prodotta a basso costo, ma ha un'efficienza di conversione di potenza relativamente elevata.
- Seleniuro di rame indio gallio (CIGS)
- Le celle solari CIGS utilizzano quattro elementi, il gallio aggiunto ai tre elementi utilizzati per il CIS. Questo tipo di cella solare ha un'efficienza di conversione di potenza leggermente superiore alle celle solari CIS.
- Tellururo di cadmio (CdTe)
- Le celle solari CdTe sono realizzate con cadmio e tellurio. Questo tipo viene utilizzato principalmente in Europa.
- Arseniuro di gallio (GaAs)
- Le celle solari GaAs sono composte da gallio e arseniuro. Questo tipo di cella solare ha un'elevata efficienza di conversione di potenza, ma è costosa. Viene utilizzato nei satelliti e in applicazioni simili.
Problemi di osservazione, misurazione, analisi e valutazione delle celle solari
Nel settore fotovoltaico, con la necessità di preservare l'ambiente e la crescente domanda di energia rinnovabile, i produttori sono in competizione per sviluppare celle solari che offrano una maggiore efficienza di conversione di potenza a costi inferiori. Inoltre, sono necessari elevati livelli di garanzia e controllo della qualità per fornire prodotti fotovoltaici e di accumulo di energia stabili e mantenere l'affidabilità nel mercato post-vendita.
Le celle solari presentano irregolarità superficiali per aumentare la superficie. Ciascuna sezione presenta un mix di materiali diversi, con colori variegati e superfici lucide. Questo rende difficile l'osservazione, la misurazione e l'analisi accurata di parti microscopiche, come gli elettrodi, di prodotti e prototipi difettosi, rendendo queste operazioni molto dispendiose in termini di tempo.
Per l'osservazione, la misurazione e l'analisi con i microscopi tradizionali sono necessari molto tempo, risorse e un elevato livello di competenza. Anche quando gli esperti utilizzano una scala per la misurazione visiva, i valori misurati possono variare da operatore a operatore.
La preparazione richiede molto tempo e risorse quando si utilizza un microscopio elettronico a scansione (SEM) per la misurazione della sezione trasversale. È inoltre difficile identificare i materiali e le particelle estranee nelle aree difettose perché i SEM non supportano l'osservazione dei colori.
Esempi di come migliorare l'osservazione, la misurazione e l'analisi delle celle solari
Il recente progresso tecnologico dei microscopi digitali elimina i problemi incontrati dai microscopi tradizionali e migliora notevolmente l'efficienza di osservazione, misurazione e analisi. Il microscopio digitale KEYENCE della Serie VHX è dotato di una funzione di assistenza automatica che consente agli operatori di acquisire facilmente immagini ad alta risoluzione, contare le particelle e effettuare misurazioni accurate 2D/3D delle celle solari. Combinando obiettivi all'avanguardia ad alta risoluzione, un sensore immagini CMOS 4K, funzionalità di illuminazione avanzate e tecnologie di elaborazione delle immagini, la Serie VHX migliora notevolmente l'osservazione e l'analisi delle celle solari.
Di seguito sono riportati alcuni esempi di osservazione, misurazione e analisi di celle solari che utilizzano la Serie VHX.
Misura della forma 3D degli elettrodi
Per aumentare l'efficienza di conversione di potenza delle celle solari, è necessario ridurre al minimo la larghezza e l'altezza degli elettrodi. Quando si utilizza un materiale costoso, come l'oro, per gli elettrodi, la minimizzazione del volume può ridurre il costo.
È difficile misurare con precisione le forme sottili degli elettrodi utilizzando i microscopi tradizionali, il che rende impossibile misurare istantaneamente le forme 3D.
Con il microscopio digitale 4K Serie VHX, è possibile misurare forme 3D con precisione micrometrica utilizzando un'immagine ingrandita ad alta risoluzione. Sovrapponendo una mappa a colori all'immagine 3D, la Serie VHX mostra facilmente i dati di altezza e le misure del profilo in più punti, facilitando il confronto delle forme microscopiche.
Osservazione in sezione delle aree con difetti
Quando una sezione trasversale lucidata di resina incorporata viene osservata ad alti ingrandimenti con un microscopio tradizionale, anche le minime irregolarità rimaste sulla superficie rendono impossibile mettere a fuoco l'intera superficie, impedendo un'osservazione chiara. La preparazione, come l'evacuazione completa o quasi della camera del campione, richiede molto tempo quando si osserva una sezione trasversale con un microscopio elettronico a scansione (SEM). È inoltre difficile rilevare i cambiamenti nei materiali e identificare le particelle estranee mescolate nella sezione trasversale, dal momento che i SEM non supportano l'osservazione dei colori.
Il microscopio digitale della Serie VHX è dotato di un sensore immagini CMOS 4K e di un'ampia profondità di campo che consente agli operatori di acquisire immagini a colori completamente a fuoco sull'intero campo visivo, senza essere influenzato dalle irregolarità della superficie del campione.
La testa completamente integrata (FI) può cambiare automaticamente l'ingrandimento da 20x a 6000x, consentendo l'osservazione ad alta risoluzione di campioni in sezione trasversale in modo rapido.
Osservazione dei moduli solari (pannelli)
È difficile osservare chiaramente i moduli solari (pannelli), soprattutto le sottili irregolarità superficiali e i graffi, a causa delle superfici lucide, della mescolanza di colori diversi e del basso contrasto.
Il microscopio digitale della Serie VHX è dotato della funzione High Dynamic Range (HDR), che combina più immagini catturate a velocità diverse dell'otturatore per acquisire un'immagine con un'elevata gradazione di colore, creando immagini ad alto contrasto che mettono in risalto le texture. Grazie al sistema di osservazione ad angolo libero e alla funzione di composizione della profondità, i campioni possono essere osservati completamente a fuoco da qualsiasi angolazione.
Conteggio delle particelle sulle superfici dei wafer
Il microscopio digitale della Serie VHX può semplificare la determinazione delle condizioni di illuminazione ottimali per l'osservazione e ridurre il tempo necessario grazie alla funzione illuminazione multiangolare. Il sistema consente inoltre di riprodurre le condizioni di illuminazione precedenti salvate con un'immagine per altri campioni.
Inoltre, la misurazione dell'area e il conteggio delle particelle possono essere eseguiti automaticamente. In quest'area è possibile escludere i target non necessari, separare quelli che si sovrappongono e utilizzare altre funzioni utili.
Queste funzioni consentono a qualsiasi operatore di ottenere rapidamente risultati di analisi estremamente accurati e privi di errori numerici, indipendentemente dall'esperienza o dal livello di competenza.
Un microscopio 4K che rivoluziona l'osservazione, la misurazione, l'analisi e la valutazione delle celle solari
Il microscopio digitale della Serie VHX consente agli operatori di osservare e acquisire facilmente immagini in 4K, completamente a fuoco. Questo microscopio aiuta a ridurre l'errore umano nelle misurazioni 2D/3D e può misurare automaticamente le aree e contare le particelle, consentendo una rapida acquisizione di dati numerici e la valutazione quantitativa.
La Serie VHX è uno strumento potente che risolve diversi problemi dei microscopi e dei SEM tradizionali con un'unica unità, migliorando notevolmente l'efficienza del lavoro. Inoltre, Excel può essere installato direttamente sulla Serie VHX per creare automaticamente report con le immagini e le misure acquisite. Queste caratteristiche rendono i flussi di lavoro più rapidi e accurati, il che è indispensabile per una rapida ricerca e uno sviluppo di prodotti superiori a quelli della concorrenza.
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