ASADES 04.15
Contents
1. mecanismos de alta resoluci n INTRODUCCI N El diagn stico de la homogeneidad de celdas fotovoltaicas es de fundamental importancia a la hora de dise ar y perfeccionar procesos de fabricaci n de celdas solares eficientes Holst 2008 Salinger et al 2008 Schmidt et al 2007 Sites y Tagle 2005 Un m todo de caracterizaci n difundido y ampliamente utilizado es el m todo LBIC Light Beam Induced Current de mapeo de fotocorriente inducida por un haz de luz Salinger et al 2008 Schroder 2006 ya que proporciona un v nculo directo entre la inhomogeneidad local de las celdas fotovoltaicas policristalinas y el rendimiento de las mismas Sites y Tagle 2005 Hiltner y Sites 2000 Aqu se expone el dise o y desarrollo de un sistema LBIC electromec nico autom tico controlado electr nicamente a trav s de una PC que realiza el escaneo de celdas solares mediante la medici n de la corriente de corto circuito en una grilla de puntos de la misma determinados por el usuario El dise o se orienta a realizar un barrido discreto de manera autom tica sobre el plano dado por los ejes cartesianos x e y con una resoluci n menor o igual a 10 um entre puntos del barrido a disponer de una fuente de luz estabilizada que incida puntualmente sobre la celda a ser capaz de medir y almacenar el valor de la fotocorriente que entregar la fotoc lula debido a la incidencia de luz en cada posici n y a que las mediciones se puedan configurar mediante2. de resoluci n m xima por paso Al programar un recorrido de 9 6 cm en el eje x y 18 2 cm en el eje y medimos el recorrido real con un calibre de 20 um de resoluci n obteniendo un error relativo porcentual m ximo de 0 8 Figura 2 imagen a escala del mecanismo construido Se observan tres rieles formando la letra H cada uno de los cuales posee un carro deslizable El riel transversal direcci n x va montado sobre los carros de los rieles longitudinales y Se aprecian tambi n los dos motores paso a paso solidarios a las varillas roscadas y los finales de carrera en los extremos de cada sentido de movimiento Imagen dise ada mediante SolidWorks 2007 SolidWorks 2009 Se ha decidido utilizar motores paso a paso unipolares debido a que se consider que e su control es m s simple ya que solamente se requieren cuatro transistores por motor para manejarlos mientras que los bipolares requieren de al menos ocho transistores o circuitos integrados espec ficos puentes H para invertir la polaridad de las bobinas de su estator e en caso de aver as en el circuito de control la detecci n y reparaci n de fallas ser a sencilla y el recambio de componentes no presentar a ning n problema ya que son componentes discretos de amplia disponibilidad en el mercado e el costo de estos motores es pr cticamente el mismo que el de los bipolares en realidad siempre es ligeramente inferior debido a que para el mismo modelo los unipolares siemp
3. hallaba un dedo de contacto 04 19 CONCLUSIONES Presentamos el dise o desarrollo e implementaci n de un dispositivo para mediciones de light beam induced current LBIC de manera autom tica El sistema de LBIC es totalmente automatizado consta de un mecanismo microposicionador x y de resoluci n m xima de 2 um en ambos ejes con un rea m xima de barrido de 9 6 cm en el eje x y 18 2 cm en el eje y con un error relativo porcentual m ximo de 0 8 Este mecanismo es controlado electr nicamente mediante un microcontrolador que recibe rdenes ingresadas en una computadora por un operador mediante una interfaz gr fica un medidor de fotocorriente y un l ser con elementos de enfoque y control de potencia de luz como fuente de iluminaci n puntual El rango de corrientes medibles con el instrumento es de 0 a 1200 pA con un error instrumental m ximo de 0 6 pA Se han realizado mediciones sobre celdas solares comerciales de silicio multicristalino industriales revel ndose imperfecciones puntuales resueltas hasta tama os de s lo 8 um cadenas de defectos puntuales granos y bordes de grano La capacidad de escanear con alta resoluci n del dispositivo permiti medir mapas de LBIC con paso amplio detectar zonas de inter s y luego zonas espec ficas en donde se volvieron a hacer mapeos LBIC con alta resoluci n para revelar detalladamente zonas defectuosas REFERENCIAS Hiltner J F y Sites J R 2000 High Resolution Laser Steppi
4. pantalla se muestra el estado del dispositivo en todo momento y se visualizan tanto num rica como gr ficamente los valores de las mediciones en tiempo real Tambi n se muestra el tiempo que transcurre durante el proceso de medici n Desde la barra de herramientas el usuario tiene acceso al Manual del Usuario del sistema RESULTADOS Con el dispositivo terminado y habiendo ensayado cada parte que lo compone se han realizado mediciones sobre celdas solares de silicio multicristalinas de la firma alemana Manz Automation AG Manz 2009 de 15x15 cm de rea texturadas qu micamente mediante cidos y grilla de contactos aplicada por serigraf a A continuaci n mostramos mapas de fotocorriente t picos adquiridos mediante el dispositivo presentado En la Fig 4 se presenta una medici n de 4 cm x 3 cm con una resoluci n de 100 um en ambos ejes en la que el escaneo comenz en el v rtice inferior derecho La barra de colores de la derecha indica cualitativamente los valores de corriente Las l neas negras que atraviesan el rea corresponden a los dedos de contacto los cuales poseen un ancho aproximado de 200 um Notamos que los dedos aparentemente se ensanchan hacia arriba Este efecto se debe a un desenfoque ptico introducido probablemente por una ligera inclinaci n de la muestra la cual se hace evidente en este tipo de mediciones con grandes superficies En esta imagen LBIC apreciamos una variedad de defectos e inhomogeneidades Encontramos
5. Avances en Energ as Renovables y Medio Ambiente ASADES Vol 13 2009 Impreso en la Argentina ISSN 0329 5184 DISE O Y DESARROLLO DE UN SISTEMA DE CARACTERIZACI N DE CELDAS FOTOVOLTAICAS POR MAPEO DE FOTOCORRIENTE H Cossutta K Taretto M Troviano y C Canal Universidad Nacional del Comahue CONICET Buenos Aires 1400 8300 Neuqu n Tel 0299 4488305 e mail ktaretto guncoma edu ar RESUMEN el siguiente trabajo describe el dise o de un sistema autom tico para la caracterizaci n de celdas solares mediante mediciones de fotocorriente basadas la t cnica de corriente inducida por un haz de luz o LBIC Light Beam Induced Current El sistema implementado consta de una mesa de microposicionamiento en los ejes x e y con una resoluci n m xima de 2 um de un diodo l ser con elementos de enfoque como fuente de iluminaci n puntual y un medidor de fotocorriente El proceso completo de medici n de fotocorriente en funci n de la posici n se realiza electr nicamente de manera autom tica y es configurado completamente por un operador desde una computadora mediante el ingreso de par metros espec ficos en una interfaz gr fica dise ada Se presentan ensayos y mediciones realizadas con el dispositivo terminado sobre celdas solares de silicio multicristalino industriales hallando distintos tipos de defectos e inhomogeneidades electr nicas Palabras clave LBIC celdas solares fotovoltaica silicio multicristalino dise o con microcontroladores
6. defectos puntuales cadenas o l neas de defectos y l neas de ligero contraste que atraviesan horizontalmente la imagen Estas ltimas corresponden a bordes de grano y son apreciables a simple vista ya que los granos en forma de filamento de este material son macrosc picos La medici n correspondiente a esta imagen se compone de 120400 puntos para los cuales el sistema tard 3 h 12 min 30000 A 25000 20000 15000 posici n Y um 10000 5000 0 10000 20000 30000 40000 posici n X um Figura 4 Resultado al escanear un rea 4 cm x 3 cm de una celda policristalina con una resoluci n de 100 um tanto en el eje x como en el eje y En la Fig 5 observamos un acercamiento de la zona punteada con l nea blanca de la Fig 4 donde s lo tenuemente se apreciaba un defecto Al realizar este nuevo escan o ahora con una resoluci n de 4 um detectamos claramente una cadena de defectos que va de un lado a otro de un dedo de contacto Esta medici n de 0 5 mm x 2 mm requiri un tiempo de medici n de 20 min con 63000 puntos 04 18 posici n X um Figura 5 medici n de 2 mm x 0 5 mm con paso de 4 um en ambos ejes donde se aprecia una cadena de defectos puntuales en la celda que atraviesa un dedo de contacto pr cticamente invisible al utilizar la resoluci n de 100 um con que fue tomada la imagen de la Fig 4 En la Fig 6 se presenta una medici n rea
7. e la simple aplicaci n de un filtro de promedio de 20 muestras por punto en las conversiones A D desde un valor m ximo de 9 uA a 0 6 uA Este filtro est aplicado por soft dentro del programa cargado en el microcontrolador y consiste b sicamente en realizar 20 conversiones anal gico digitales en cada punto de medici n y realizar la media aritm tica de los valores convertidos El tiempo total de cada punto de medici n es decir el tiempo que transcurre entre que el l ser se enciende en una posici n de medida y se estabiliza la potencia de luz emitida m s el retardo del amplificador de transimpedancia y el tiempo de la conversi n anal gica digital es de 6 34 ms aplicado el filtro de promedio de 20 muestras De estos 6 34 ms 0 356 ms se ocupan en las 20 conversiones realizadas por el filtro Cada paso de motor es decir un avance longitudinal de 2 um requiere 1 5 ms 04 17 INTERFAZ GR FICA La interfaz gr fica es un programa dise ado en Visual Basic 6 desde sta el operador puede configurar el puerto COM de comunicaciones ingresar los par metros para la medici n los cuales son la posici n de inicio y fin que definen el rea rectangular de barrido el paso de medici n para ambos ejes y realizar los comandos de llevar a cero el mecanismo comenzar y detener la medici n configurar el archivo de texto donde se almacenar n las mediciones de fotocorriente junto con la posici n a la cual fueron tomadas En la misma
8. led by a microcontroller The measuring procedure is configured completely by an operator from a computer through the entry of specific parameters in a specifically designed graphical interface We present measurements made with the finished device on industrial multicristalline silicon photovoltaic cells finding different types of electronic inhomogeneities and defects in the cells Keywords LBIC solar cells photovoltaic multicristalline silicon microcontrollers mechanisms of high resolution 04 20
9. lizada en otra zona completamente diferente de la celda correspondiente a la Fig 4 abarcando una regi n de 1 6 mm x 1 6 mm con paso de 8 um en ambos ejes 40400 puntos Apreciamos granos con forma de filamento que atraviesan horizontalmente la imagen La regi n vertical azulada de la izquierda se halla cerca un dedo de contacto ausente en la figura sugiriendo que cerca de los mismos la calidad electr nica disminuye Esto es v lido para cualquier grano de los que se encuentran en la imagen y adem s respeta cualitativamente las diferencias de fotocorriente entre grano y grano halladas en el interior lejos de los contactos por ejemplo en el centro de la imagen An lisis m s detallados se necesitar an para determinar si las diferencias son directamente proporcionales entre las zonas cercanas al contacto y el interior para diferentes granos La disminuci n de la fotocorriente cerca de los dedos de contacto tambi n se observa en las figuras 4 y 5 pero resulta menos visible debido a la escala utilizada En la Fig 6 tambi n hallamos numerosas cadenas de defectos y defectos puntuales 1500 1000 posici n Y um 500 4500 a 3000 3500 posici n X um Figura 6 medici n de 1 6 mm x 1 6 mm con paso de 8 um en ambos ejes donde se aprecian granos cristalinos con forma de filamento dispuestos horizontalmente Se aprecian tambi n numerosas cadenas de defectos y defectos puntuales Cerca del eje vertical a la izquierda se
10. ng Measurements On Polycrystalline Solar Cells 16 EU PVSEC pp 630 633 Holst G 2008 Building Better Solar Cells with Cameras Photonics Spectra pp 38 39 Manz Automation AG 2009 http www manz automation com Salinger J Benda V y Machacek Z 2008 Solar Cell Diagnostics Using LBIC and LBIV Methods Proceedings 26th International Conference on Microelectronics MIEL 2008 vol 1 pp 217 220 Schmidt J Pohl P Bothe K y Brendel R 2007 Advances in Contactless Silicon Defect and Impurity Diagnostics Based on Lifetime Spectroscopy and Infrared Imaging Advances in optoelectronics 2007 doi 10 1155 2007 92842 Schroder D K 2006 Semiconductor Material and Device Characterization 3 edici n pp 417 Wiley Interscience New York Sites J y Nagle T 2005 LBIC Analysis Of Thin Film Polycrystalline Solar Cells Proceedings 31 IEEE Photovoltaics Specialists Conf pp 199 204 SolidWorks 2009 http www solidworks es ABSTRACT The present work describes the design development and implementation of an automatic system for the characterization of solar cells by the Light Beam Induced Current or LBIC technique The implemented system consists of a laser head capable to be positioned along x and y axes with a maximum resolution of 2 um a laser diode as a source of punctual lighting provided with focusing components and a photocurrent meter The whole process of measuring is performed in an automatic way and control
11. r censa el estado de estos sensores El movimiento de los motores paso a paso se produce mediante una secuencia de pulsos aplicada a cada en sus bobinas la cual es generada por el PIC y amplificada por un circuito controlador de motores dise ado el cual maneja los dos motores entregando tensiones de 12 V y corrientes de hasta 1 5 A En los puntos de medici n el microcontrolador entrega una se al de encendido al circuito de control de potencia del diodo l ser y mediante la realimentaci n de la fotocorriente entregada por el fotodiodo monitor del diodo l ser controla la corriente del l ser y mantiene la potencia de luz emitida constante Transcurrido el tiempo de estabilizaci n del proceso anterior se realiza la medici n de fotocorriente generada en la celda solar a caracterizar al ser iluminada localmente mediante la conversi n anal gica digital la se al convertida a tensi n amplificada por un amplificador de instrumentaci n integrado el AD620 y adaptada a los niveles de 0 y 5 V por el circuito amplificador de transimpedancia que act a como conversor de corriente a tensi n amplificador adaptador de niveles y protecci n para la entrada del conversor A D de 10 bits del microcontrolador El rango de corrientes medibles con el instrumento es de O a 1200 A el cual es suficiente para la detectar las fotocorrientes que emitir una celda solar al ser iluminada por el diodo l ser y se a logrado reducir el error en esta medici n mediant
12. re son de menor potencia La medici n es realizada dentro de un rea rectangular de la celda siguiendo un camino en forma de serpiente La fuente de iluminaci n puntual utilizada es un diodo l ser enfocado mediante un m dulo o PICK UP de lectora DVD ya que estos cabezales est n provistos de componentes pticos tales que permiten un di metro de foco del orden de la longitud de onda 0 65 um de la luz y adem s act an como disipadores t rmicos de calor para el diodo El diodo l ser utilizado es L HLDP650 cuya longitud de onda es 650 nm con una potencia nominal de 5 mW en encapsulado met lico TO 18 de 3 pines 04 16 SISTEMA ELECTR NICO El sistema electr nico se divide en 7 etapas una fuente conmutada de alimentaci n un circuito que dispone de un microcontrolador el cual se encarga de la automatizaci n de la medici n un circuito para la comunicaci n entre el microcontrolador y la PC una etapa para la detecci n de llegada a cero y tope un circuito controlador de los dos motores paso a paso un circuito que controla la corriente del l ser para mantener la potencia de luz emitida por este ltimo constante y un circuito amplificador que toma la corriente de cortocircuito que entrega la celda cuando es iluminada la trasforma en tensi n la amplifica y env a esta se al anal gica al microcontrolador para su digitalizaci n y procesamiento La automatizaci n del sistema de medici n se ha implementado electr nicamente median
13. te un microcontrolador PIC 18F4550 El diagrama de bloques de la Fig 3 representa el sistema electr nico total y sus interrelaciones con el sistema general Fuente conmutada de alimentaci n 5V 12V 12V GND Detectores Etapa de Motor PaP pticos de adaptaci n de A Eje x ranura para 2 detectores de detecci n de cero y finales cero y tope de carrera A Etapa de Microcontrolador potencia para PIC 18F4550 control de Max 232 motores PaP Ly Motor PaP ll Eje y Control Celda solar Amplificador de anal gico de Diodo PC a transimpedancia potencia de o l ser caracterizar de fotocorriente luz del diodo l ser ll Figura 3 diagrama en bloques del sistema electr nico El microcontrolador recibe los par metros de la medici n ingresados por el usuario en la interfaz gr fica de control dise ada en Visual Basic 6 en la PC a trav s de un bus de comunicaciones RS 232 mediante un protocolo dise ado espec ficamente Para la adaptaci n de niveles de tensi n entre ambos se utiliz un circuito integrado MAX232 Todas las mediciones comenzar n siempre en una posici n fija la cual se encuentra determinada por detectores de barrera infrarrojos montados en el mecanismo Mediante un circuito de adaptaci n de niveles el microcontrolado
14. tercero est montado sobre stos de manera que su carro pueda deslizarse en forma perpendicular a ambos Se ha considerado que esta disposici n es la m s adecuada debido a la estabilidad que se logra en el riel superior la cual es requerida para el enfoque del diodo l ser acoplado al carro de este riel Para el sistema de tracci n se han utilizado dos motores paso a paso ya que se consider que para movimientos de precisi n por paso estos son los m s adecuados dado que el error producido en sus movimientos no es acumulativo Debido a que se requieren desplazamientos del orden de um deben utilizarse reducciones pero para movimientos discretos y de precisi n no son tiles las reducciones mediante sistemas de engranajes por el juego que se genera en ellos Por lo tanto se ha escogido un sistema de tracci n reducci n basado en una varilla roscada y una tuerca como los sistemas de tornillo sinf n Si se divide la vuelta completa del eje en un n mero n de pasos la tuerca avanzar una distancia de la separaci n entre filetes dividida en n Si se toma como a la distancia entre filetes de la varilla y n el n mero de pasos en que se divide el giro completo la distancia d que recorre la tuerca por cada paso del motor viene dada por d a n Se han utilizado motores paso a paso de 400 pasos por vuelta 0 9 por paso y varillas roscadas de 32 filetes por pulgada con lo cual se ha logrado un avance longitudinal en ambos ejes de d 1 98 um 2 um
15. una PC por un usuario a trav s de un software dise ado para ello La Fig 1 muestra un esquema del sistema dividido en tres subsistemas fundamentales para su explicaci n sistema mec nico sistema electr nico y sistema computacional En la siguiente secci n se describen los distintos subsistemas luego presentamos mediciones realizadas sobre celdas solares comerciales con el sistema terminado y finalmente arribamos a las conclusiones Sistema infom tico Sistema electr nico Sistema mec nico Amplificador de Celda transimpedancia solar Motor Motor PaP PaP gt Xx Y z _ NI Circuito h Controlador Se lt P PC del _ delos motores l microcontrolador Detectores de i 5 cero y finales de carrera Controlador N depotencia K LASER del laser Vi Figura 1 Esquema de subsistemas del sistema completo La fila superior denota los sistemas inform tico electr nico y mec nico cuyos componentes principales se hallan dispuestos verticalmente bajo el mismo color Investigador adjunto CONICET 04 15 SISTEMA MEC NICO La Fig 2 muestra el sistema mec nico implementado mostrando la utilizaci n de tres rieles con carros de precisi n dispuestos en forma de H en la que dos rieles se ubican paralelos y fijos a la base y el
Download Pdf Manuals
Related Search