סיקאי טאן, Agilent Technologies
ה- European Photovoltaic Industry Association (EPIA) חזה כי עד לשנת 2020 יגיע החשמל המיוצר דרך טכנולוגיה פוטו-וולטאית (PV) לשיעור של יותר מ-10%. המחקר המתמשך של טכנולוגיות ה-PV ופריצות הדרך הטכנולוגיות בתחום המערכות הסולאריות הופכים את התחזית הזו לריאלית יותר ויותר. הייצור המוגבר של תאים סולאריים ושל לוחות סולאריים גרם גם לגידול במספר פתרונות הבדיקה המוצעים על-ידי יצרני מכשור שונים ועל-ידי ספקי פתרונות turnkey. לפיכך, לפני הבחירה בפתרון כלשהו חשוב עד מאוד להבין את דרישות המפתח של המדידה.
פתרונות ה-turnkey מספקים כיום מערכות של בדיקות מותאמות אישית למטרות ייצור ואימות. פתרונות אלה בנויים ומתוכנתים באופן שמבטיח עמידה בדרישות הדירות הבדיקה. לעומת זאת, במעבדות מחקר והערכה, דווקא המכשירים המוכנים לשימוש ( off-the-shelf) מספקים לעתים קרובות גמישות ורב-תכליתיות מוגברת עבור מדידות stack-and-tests. הרחבת פמרטרי הבדיקה מתאפשרת באמצעות מכשירים מוכנים לשימוש. עם המכשירים המוכנים לשימוש שמוטמעים בצורה נרחבת נמנים עומסי DC אלקטרוניים, יחידות מדידת מקור (ידועות גם כספקי כוח four quadrant), נתחים פרמטריים, מדי LCR ויחידות לכידת נתונים.
פרמטרים מרכזיים במדידות I-V
חלק ניכר של המדידות החשמליות המבוצעות על תאים סולאריים כרוך במדידת הקיבוליות או הזרם כפונקציה של המתח המוחל. בדיקות C-V מאפשרות למדוד את קיבוליות התא על-ידי החלת מתחי AC או תדרים. לעומתן, בדיקות I-V הנן פשוטות יותר ומוטמעות בהיקף נרחב יותר במסגרת תהליכי הייצור. מספר פרמטרים מרכזיים נגזרים בקלות ממדידות עקומת ה-I-V:
•קצר חשמלי, ISC – זרימת הזרם מן התא במצב של היעדר עומסים
•מתח מעגל פתוח, VOS – מתח התא ללא זרימת זם
•הספק מוצא מרבי, PMAX – הספק המוצא המרבי המופק על-ידי התא
•מתח ב- VMAX ,PMAX – מתח התא ב- PMAX
•זרם ב- IMAX ,PMAX – זרם התא ב- PMAX
•Fill Factor, FF – מחושב על-ידי השוואת הספק המוצא המרבי, PMAX להספק התיאורטי PT
•נצילות המרה, η – יחס הספק המוצא החשמלי Pout להספק המבוא הסולארי, Pin
•מאפייני דיודת התא
•התנגדות בטור של התא
•התנגדות זליגה של התא
סימולטורים סולאריים ואתגרי המדידה
בעת ביצוע מדידה של עקומת I-V בתאים סולאריים, הסביבה מהווה גורם קריטי שכן מאפיין ה-I-V של התא תלוי בשני מרכיבים עיקריים: הטמפרטורה של התא הסולארי וכן עוצמת האור ומצבו. עוצמת האור ומצבו ניתנים להדמייה דרך סימולטורים סולאריים, אשר זמינים כמקור אור סטנדרטי במצב יציב
(steady-state), או כמקור אור מסוג פולסים.
באופן כללי, כאשר מדובר ברצפת הייצור, לסימולטורים סולאריים מסוג פולסים עדיפות על פני סימולטורים סולאריים במצב יציב. סימולטורים סולאריים מסוג פולסים מספקים תפוקה גבוהה מבחינת הייצור, משום שמדידת עקומת ה-I-V ניתנת לביצוע בתוך גל אור או הבזק. עם זאת, מסגרת הזמן הקצרה של המדידה יוצרת אתגרים רבים עבור מערכות הבדיקה, שכן הן נדרשות להשלים את המדידה מבלי להתפשר על דיוק הבדיקה. בנוסף, הסימולטורים הסולאריים מסוג פולסים מתאפיינים במחירים נמוכים יותר ולרוב הנם זמינים בעלות נמוכה בהרבה מן העלויות המאפיינות את הסימולטורים הסולאריים מסוג steady-state.
במקומות כגון מעבדות תכנון ואימות, רצוי להשתמש בסימולטורים מסוג steady-state. סימולטורים אלה מספקים מקור אור רציף, אשר מאפשר ביצוע מדידות ללא הפרעה לאורך פרקי זמן ממושכים. לרוב, מערכות הבדיקה שנדרשות עבור סימולטורים מסוג זה מחמירות פחות מאלה הנדרשות עבור מערכות בדיקה המשתמשות בסימולטורים סולאריים מסוג פולסים.
מדידת I-V תחת סימולטור סולארי מסוג Steady-State
בדרך כלל, הסימולטורים הסולאריים מסוג Steady-State נמצאים בשימוש ברצפת הייצור, לצורך ביצוע בדיקות מדויקות. ככל הידוע לנו, מאפיין ה-I-V של התא הסולארי מושפע מטמפרטורת פני השטח של התא. לפיכך, בעת ביצוע בדיקות אילומינציה תחת סימולטור סולארי מסוג זה, מדידה וניטור של הטמפרטורה הנם חיוניים, שכן פני השטח של התא הסולארי הנבדק נוטים להתחמם במהירות רבה בגלל ההארה המתמדת של מקור האור.
דבר זה מדגיש את חשיבותה של מדידת הטמפרטורה בעת ביצוע בדיקות המיועדות להבין את מאפיין ה-I-V של הלוח הסולארי. שיטות רבות פותחו לצורך מדידת טמפרטורה. כמה מן החיישנים שבהם נעשה שימוש הם צמד תרמי, נגדים תלויי טמפרטורה (RTD), טרמיסטור, אינפרה-אדום, נוזל או גז לצורך זיהוי הטמפרטורה על-ידי חישת השינויים במאפיין הפיזיים של ההתקן תחת בדיקה (DUT). מבין כל חיישני הטמפרטורה שנמצאים בשימוש כיום, הנפוץ ביותר בתחום הייצור הוא הצמד התרמי. לדוגמה, לעתים קרובות נעשה שימוש במערך מגוון של צמדים תרמיים לצורך מדידת הטמפרטורה של לוחות סולאריים בנקודות שונות. ניתן להשתמש בהתקן לכידת נתונים (DAQ) ובהתקן עם כניסת צמד תרמי לצורך מדידת הטמפרטורה של הלוח הסולארי. היתרון של התקנה כזו נעוץ בעובדה, כי ה-DAQ מספק קצב דגימה גבוה. קצב זה מוביל בתורו למספר מדידות גדול יותר בפרק זמן ספציפי. המשמעות היא, כי מתבצע ניטור קפדני של הטמפרטורה לאורך מחזור האפיון וההערכה – ולכך נודעת חשיבות רבה בעת ביצוע מדידות תחת סימולטורים סולאריים מסוג steady-state. בנוסף לשיעור הדגימה הגבוה, השימוש בהתקני DAQ, שמבצעים מדידות סימולטאניות מקבילות לרוחב כל ערוצי המבוא הזמינים, מבטיח לכידה בו-זמנית של הטמפרטורות מתוך כל הצמדים התרמיים.
מעבר למדידת הטמפרטורה של הלוח הסולארי במהלך הייצור, נדרש גם ניטור איכותו של מקור האור. אחת הגישות להשגת יעד זה גורסת מיקום של מספר תאי ייחוס בעלי ביצועים ידועים סביב הלוח הנבדק. מאפייני תאי הייחוס נבדקים כל העת, כדי לאמוד שינויים או ירידה באיכות של מקור האור אשר עלולים להשפיע על אמינות הבדיקה. הזרם והמתח המיוצרים על-ידי תאי הייחוס מהווים 2 פרמטרים בסיסיים שאותם יש לנטר. כדי לפשט את מערכת הבדיקה, נעשה לעתים קרובות שימוש ביחידת מדידת מקור (SMU) 4 קוואדרנטים. ה-SMU 4 קוואדרנטים ידוע ביכולת ה-sinking שלו ומסוגל למדוד במקביל זרם ומתח. הדבר מונע את השימוש במולטימטר דיגיטלי (DMM), בעומס חיצוני ובמתגים.
בדרך כלל, תאי הייחוס קטנים יותר בגודלם וזרם המוצא שלהם נמוך בכמה מאות מיליאמפר. יחידת SMU בעלת סיווג הספק נמוך ומרובת ערוצים מתאימה ביותר ליישום זה.
מדידת I-V תחת סימולטור סולארי מסוג פולסים
הסימולטורים הסולאריים מסוג פולסים, לעומת זאת, מייצרים אורות בפולסים או הבזקים. ההבזק יכול להיות מהיר ולהימשך כמה עשיריות של אלפית שנייה. המשמעות היא, כי על מערכת הבדיקה להגיב מיד עם הפעלת ההבזק ולהשלים את בדיקות ההארה בטרם יכבה. ניתן אמנם למצוא מערכות turnkey אשר נבנו ותוכנתו כדי לתת מענה למפרט זה, אולם אפשר גם להשתמש במספר מכשירים סטנדרטיים ומוכנים לשימוש כדי לתת מענה לדרישה זו. לדוגמה, לעתים קרובות נעשה שימוש בעומס אלקטרוני DC כמכשיר חלופי, אשר מונע את השימוש ב-DMM ובמרבב (MUX). לא זו בלבד שהשימוש בעומס האלקטרוני DC מפחית את מורכבותה של מערכת הבדיקה הסולארית מבוססת הפולסים, אלא שהוא אף מבטיח אמינות גבוהה יותר של מערכת הבדיקה, על-ידי מניעת הצורך בחיווט מסובך.
במקרים מסוימים, ניתן לתכנת עומסים אלקטרוניים DC מודולאריים, כך שיגיעו לשיעור של 50,000 נקודות מדידה בשנייה. לעתים מזומנות ניתן למטב את מספק דגימות המדידה כדי להשיג איזון בין מהירות לבין דיוק. עומסים אלקטרוניים DC מודולאריים זמינים גם בסיווגי מתח שונים, אשר מתאימים למגוון סיווגי המתח של התאים הסולאריים. כמה מעומסים אלה ניתנים לתפעול במקביל, על מנת להגביר את יכולת ה-sinking של זרם מלוחות סולאריים גדולים יותר.
סיכום
הבחירה בפתרון שישמש למדידת עקומת ה-I-V של התא הסולארי חשובה עד מאוד להבטחת הדיוק במדידת ביצועיו ונצילותו של התא. השימוש במכשירים בדידים ליצירת מערכת בדיקה של תאים סולאריים לא רק יעלה פחות מרכישתו של פתרון turnkey, אלא שהוא אף יספק לך את הגמישות להרחבת פרמטרי הבדיקה עם השינוי העתידי בדרישות הבדיקה.
התקנת בדיקה של עקומת I-V המשתמשת במכשור סטנדרטי מוכן לשימוש של Agilent Technologies
