Caracterización de celdas solares y paneles solares mediante imágenes de electroluminiscencia

Abstract

Una celda solar en polarización directa emite fotones, en un fenómeno conocido como electroluminiscencia. La inyección de corriente a través de sus contactos, provoca la recombinación en el material semiconductor, la cual al menos en parte corresponde a recombinación radiante. Este proceso es utilizado comúnmente para la caracterización de celdas solares, ya que permite medir la eficiencia de conversión de energía de la celda y obtener información sobre su rendimiento. Este trabajo trata la implementación de este ensayo como método de caracterización de celdas de silicio cristalino. Se implementa un sistema de medición con una cámara CCD, una fuente de alimentación operada por computadora, y un portamuestra donde se coloca la muestra a caracterizar. Se realizan mediciones a distintos niveles de polarización y se obtienen imágenes termográficas con un sensor infrarrojo, para obtener información adicional de las muestras y el material semiconductor que las compone. El ensayo permitió estudiar tres celdas de silicio monocristalino y un módulo de silicio policristalino, proporcionando información visual y medidas precisas relacionadas a su eficiencia de conversión. Esto se logra mediante la integración de los resultados de distintos estudios, empezando por una identificación preliminar de defectos y heterogeneidades en el material semiconductor. Posteriormente se evalúa la intensidad de la emisión global y local a distintos niveles de polarización, y la resistencia serie y la densidad de corriente de saturación inversa locales. Se determina la distribución de los potenciales eléctricos en cada una de las celdas del módulo para estudiar la variación local de la resistencia serie. La calidad de las imágenes demostró las posibilidades de este ensayo en términos de flexibilidad del equipo utilizado y adaptación a un amplio rango de muestras. De esta forma, se comprobó la relevancia del ensayo en aplicaciones de control de calidad, monitoreo de celdas y ensayo no destructivo de celdas y módulos solares.

A forward biased solar cell emits photons, in a phenomenon known as electroluminescence. The current injection through its contacts causes recombination in the semiconductor material, at least a percentage due to radiative recombination. This is the basis of a method already in use for characterizing solar cells. This work deals with the implementation of this test as a characterization method for crystalline silicon cells. A measurement system is implemented with a CCD camera and a computer-operated power supply, and a sample holder where the cell to be characterized is placed. Imaging is performed at different polarization levels to validate the linearity of the sensor and perform quantitative analysis. Additionally, thermographic images of the cells are obtained with an infrared sensor. With the images obtained, the range of linearity of the sensor is verified. Qualitative defect analyses and quantitative analyses of the series resistance and reverse saturation current density local variations are performed on three monocrystalline silicon cells and one polycrystalline silicon module. The voltage distribution of the module individual cells is determined in order to study the local variation in series resistance. The quality of the images obtained demonstrated the possibilities in terms of equipment flexibility and adaptation to a wide range of samples for electroluminescence testing. Hence, the relevance of electroluminescence as non-destructive test method for applications of quality control, monitoring and characterization of solar cells and modules was verified.