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:info@smsenerji.com
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 M λ (T),dalga boyunun λ ve sıcaklığın T olması durumunda,planck'e göre bu durum aşağıdaki formül ile açıklanır: 2 2πhc ) hc M exp 1 λ (T = 5 (1) λ λkbt 1 h Planck "Etken Kuantumu", c "Işık Hızı" ve k B ise "Boltzmann Sabiti" dir. Şekil 3 de tespit edilen spektrumun değişik sıcaklıklardaki değerlerini göstermektedir. Radyasyon (Wm-2 Mikronmetre-1) 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:info@smsenerji.com
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 T c p = λ 2 ρ w + p (2) 2 t z c p malzemenin spesifik ısı kapasitesi, ρ yoğunluk, λ w ısı iletim kapasitesi ve p verilen ısı miktarıdır. Yüzeyde harmonik ısıtma ve soğutma olduğunun varsayılması durumunda p = 0 olacaktır; z z ( ) exp i ωt T z,t = Aexp Λ Λ (3) Λ = 2λ w ρc p ω 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:info@smsenerji.com
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 f lock-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 T 0 ) 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 0 (x, y)) 2 + (T 90 (x, y)) 2 90 T (x.y) Φ(x, y) = arctan 0 T (x, y) (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. sancak 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: info@smsenerji.com www.smsenerji.com www.facebook.com/smsenerji www.twitter.com/smsenerji mail:info@smsenerji.com