CCD-anturin lämpötilan vaikutus elektroluminesenssimittauksen signaali-kohinasuhteeseen 2.12.2014 Sampo Hyvärinen 1
TABLE OF CONTENTS 1 Johdanto... 3 2 Teoria... 4 2.1 Aurinkokenno... 4 2.2 Elektroluminesenssi... 4 2.3 CCD-anturin kohina... 5 3 Mittausasetelma... 6 3.1 Laitteisto... 6 3.2 Kuvien analysointi... 8 4 Tulokset... 9 5 Yhteenveto... 12 Lähteet... 13 2
1 JOHDANTO Aurinkoenergian yleistyessä kuluttajat alkavat luonnollisesti odottaa entistä parempaa laatua sekä halvempaa hintaa aurinkokennoilta ja aurinkopaneeleilta. Paremman ja tasaisemman laadun saavuttamiseksi tarvitaan kehittyneempiä laadunvalvontamenetelmiä. Tällä hetkellä käytetään standardin IEC 60904-9 mukaisia aurinkosimulaattoreita, joilla voidaan mitata aurinkokennojen ja aurinkopaneelien sähköisiä ominaisuuksia, kuten tehoa ja IV-käyriä. Aurinkosimulaattorilla ei kuitenkaan voi analysoida mitattavan kohteen rakennetta. Tätä tarkoitusta varten on kehitetty elektroluminesenssimittaus (EL). Elektroluminesenssimittauksessa aurinkokennoon syötetään myötäsuuntainen virta, joka virittää elektroneja kennossa. Elektronien palautuessa perustilalle ne emittoivat elektromagneettista säteilyä lähi-infrapuna-alueella. Tätä säteilyä kuvataan lähi-infrapunalle herkistetyllä erikoiskameralla. Saaduista kuvista pystytään tulkitsemaan mahdolliset vauriot kennon rakenteessa. [1] Elektroluminesenssimittauksessa käytetään piipohjaisia detektoreita niiden suuren resoluution johdosta. Tämä muodostaa kuitenkin ongelman signaalitasojen suhteen, koska säteilevä kappale ja detektori ovat yleensä piitä. Piin emissiospektri ja absorptiospektri peittävät toisensa hyvin heikosti, joka johtaa heikkoon signaalin. Lämpötilan noustessa CCD-anturin kohina kasvaa, joten perinteisesti sitä on pyritty viilentämään. [2] Toisaalta, piin kielletty energiaväli pienenee lämpötilan kasvaessa, joka nostaa CCD-kennon herkkyyttä lähi-infrapunassa. Tämä signaalin ja toisaalta kohinan kasvu lämpötilan vaikutuksesta herättää kysymyksen: Mikä on optimilämpötila signaalikohina-suhteen kannalta? Tämän tutkimuksen päämäärä oli selvittää lämpötilan vaikutus elektroluminesenssimittauksen signaalikohina-suhteeseen. Työ sisältää ilmiöön liittyvän teorian kuvauksen mittausasetelmasta sekä tulosten esittelyn. Teoria esitellään luvussa 2. joka sisältää aurinkokennojen fysiikkaa elektroluminesenssimittauksen perusteet sekä lyhyen osuuden CCD-anturin kohinasta. Luku 3. mittausasetelmasta sisältää kuvauksen laitteistosta, mittausproseduurista sekä raakadatalle tehdystä analyysistä. Luku 4. esittelee tulokset ja luku 5. sisältää yhteenvedon. Mittaukset toteutettiin Endeas Oy:n tiloissa Espoossa. Endeas Oy valmistaa ja myy aurinkosimulaattoreita joihin on integroitu EL-kuvaus toiminto. 3
2 TEORIA 2.1 AURINKOKENNO Aurinkokenno on laite joka muuttaa valoa suoraan sähkövirtaan. Sen toiminta perustuu valosähköiseen ilmiöön, jossa puolijohteeseen absorboitu fotoni luo elektroni-aukko parin, mikäli sen energia ylittää tietyn rajan. Aurinkokenno on rakenteeltaan diodi, jossa pn-liitos erottelee elektronit ja aukot luoden jännitteen aurinkokennon napojen välille. Tässä työssä käsitellään vain piistä tehtyjä aurinkokennoja, joissa on noin 300 µm paksuinen, p-tyyppiä oleva pohjakerros, ja sen päällä on noin 10 µm paksuinen n-tyyppiseksi seostettu kerros. 2.2 ELEKTROLUMINESENSSI Elektroluminesenssi on ilmiö, jossa väliaineeseen, yleensä puolijohteeseen, johdettu sähkövirta virittää siinä olevia elektroneja. Viritetyn elektronin palauduttua perustilaan se emittoi fotonin. Emittoituneiden fotonien energia riippuu väliaineen vyörakenteesta. Aurinkokennon muodostavan piin kidehilassa esiintyvien kidevirheitten kohdalla rekombinaatio on voimakkaampaa verrattuna virheettömään kiteeseen. Tämä mahdollistaa kidevirheitten kuten halkeamien havaitsemisen aurinkokennosta elektroluminesenssikuvauksen avulla. Aurinkokenno emittoi kuvan 1 mukaista säteilyä kun pn-liitoksen läpi johdetaan myötäsuuntainen virta. [1] Aurinkokennon elektroluminesenssisäteilyä kuvataan pii-pohjaisella CCD-kennolla. Piin kielletty energiaväli pienenee lämpötilan kasvaessa, joten teoriassa lämpötilan kasvaessa CCDkennon spektrivaste laajenee suuremmille aallonpituuksille. 270 K lämpötilassa piin kielletty energiaväli on 1.1317 ev ja 300 K lämpötilassa 1.242 ev. Näiden energioiden erotuksesta saadaan aallonpituusrajan eroksi noin 7 nm. [4] Piin kvanttihyötysuhde lähestyy nollaa samalla aallonpituusalueella millä aurinkokenno alkaa säteilemään elektroluminesenssin vaikutuksesta. Kuvasta 1 nähdään, että absorptiokerroin tippuu jyrkästi 900-1200 nm alueella. Tältä 900-1200 nm aallonpituusalueelta kerätään kuvattava signaali. [1] 4
Kuva 1. CCD-anturin kvanttihyötysuhde aallonpituuden funktiona, pii-pohjaisen aurinkokennon elektroluminesenssispektri, sekä niiden rajaama mitattava alue. [1] 2.3 CCD-ANTURIN KOHINA Yhtenä rajoittavana tekijänä puolijohdedetektoreissa on pimeä virta, eli virta joka syntyy eifotoniabsorption avulla. Pimeä virta perustuu elektroniaukkoparien satunnaiseen muodostumiseen, ja se on voimakkaasti lämpötilariippuva. Pimeä virta näkyy kameran ottamassa kuvassa lämpötilasta riippuvana vakiosignaalina, joka voidaan poistaa kuvasta vähentämällä siitä kameralla otettu taustakuva. Pimeä virta sisältää satunnaisen lämpötilariippuvan kohinakomponentin, joka ei poistu kuvasta vähentämällä siitä taustakuvaa. Työssä käytetty CCD-anturi on KAF-8300, jonka pimeävirta on alle 200 e/s. Pimeävirta tuplaantuu kyseisellä anturilla aina 5.8 C:n välein. Lisäksi lukuelektroniikan aiheuttama kohina per pikseli on noin 16 e/s. [5] 5
3 MITTAUSASETELMA Työssä kuvataan aurinkokennoa, jonka läpi johdetaan virta, pii-pohjaisella CCD kennolla. Mittauksen aikana kameran kennon lämpötilaa nostetaan 5 asteen välein, alkaen -10 C ja päätyen +30 C. Kussakin lämpötilassa kuvataan viisi kuva säteilevästä aurinkokennosta ja viisi kuvaa peitetyllä objektiivilla. Kuvaamiseen käytetään 5 sekunnin valotusaikaa. Peitetyllä objektiivilla otetuissa kuvissa on ainoastaan pimeän virran aiheuttama taustasignaali, jota käytetään signaali-kohinasuhteen laskemiseen. Kuvista lasketaan signaali-kohinasuhde(snr) kaavalla =, {1} jossa µsignaali on signaalin keskiarvo, µtausta on taustan keskiarvo ja σtausta on taustasignaalin keskihajonta [5]. 3.1 LAITTEISTO Tutkimuksessa käytetään SBIG STF-8300M kameraa, jossa on 8.3 megapikselin KAF-8300 CCD-anturi. Kamerassa käytetään Carl Zeiss Distagon T 35mm f/2 objektiivia ja RG850 lasista tehtyä ylipäästösuodatinta, jonka raja on 850 nm. Kamerassa on sisäänrakennettu peltierelementti, jolla CCD-anturin lämpötila säädetään. Signaalilähteenä työssä toimii amorfisesta piistä valmistettu aurinkokenno, jonka läpi johdetaan 8 A virta. Aurinkokennon elektroluminesenssispektri on esitetty teoria-osuudessa, kappaleessa 2.2, ja kuvassa 1. Virta syötettiin aurinkokennoon Endeas Oy:n testialustalla, jossa on lämpötilan säätö aurinkokennolle. Aurinkokennon lämpötila säädettiin 25 C asteeseen. Kuvat otettiin kuvan 2 tornissa, jonka sisään sijoitettiin kamera, aurinkokenno ja testialusta. Torni on suunniteltu valotiiviiksi, jotta ympäristön valo ei häiritse mittausta. 6
Kuva 2. Mittauksessa käytetty torni, jonka sisällä kamera, testialusta ja aurinkokenno. Tornin vieressä virtalähde sekä tornin lämpötilan säätömoduuli. 7
3.2 KUVIEN ANALYSOINTI Jokaisella eri lämpötila-asetuksella otettiin viisi kuvaa aurinkokennosta ja viisi kuvaa taustasignaalista. Kuvista valittiin toisiaan vastaavat alueet, jotta taustasignaali ja EL-signaali vastaavat samaa aluetta CCD-anturilla. Kullakin lämpötila-asetuksella aurinkokennosta otetuista kuvista mitattiin pikseleiden harmaa-arvojen keskiarvo. Taustasignaalista otetuista kuvista mitattiin pikseleiden harmaa-arvojen keskiarvo sekä pikseleiden harmaa-arvojen keskihajonta. Mitatuista tuloksista laskettiin SNR kaavalla {1}. Jokaisella lämpötila-asetuksella tuli siis viisi lukua SNR:lle. Näistä viidestä luvusta laskettiin SNR:n keskiarvo kullekkin lämpötilaasetukselle. 8
4 TULOKSET Kuvissa 2 ja 3 on esitetty aurinkokennoista otetut kuvat -10 C ja +30 C lämpötiloissa. Kuvista voi silmämääräisesti arvioida, että +30 C kuvassa on voimakkaampi EL-signaali ja siitä on helpompi tunnistaa yksityiskohtia. Silmämääräisesti arvioituna anturin lämmittäminen siis parantaa kuvanlaatua. Kuva 2. Aurinkokennosta otettu kuva -10 C lämpötilassa olevalla anturilla. Ympäröitynä kohdat joissa on silmämääräisesti nähtävissä eroja -10 C ja 30 C välillä. Kuva 3. Aurinkokennosta otettu kuva 30 C lämpötilassa olevalla anturilla. Ympäröitynä kohdat joissa on silmämääräisesti nähtävissä eroja -10 C ja 30 C välillä. 9
Kuvista saatujen tulosten perusteella signaali-kohinasuhteen optimi on 0 C kohdalla. Lämpötilan noustessa tai laskiessa signaali-kohinasuhde siis pienenee. EL-signaali kasvaa oletetusti mutta ei riittävän voimakkaasti että se kumoaisi pimeän virran aiheuttaman taustakohinan. EL-signaalin keskiarvon ja taustasignaalin kohinan keskihajonnan lämpötilariippuvuus on esitetty kuvassa 4. 20 100 18 98 16 96 14 94 taustasignaali 12 10 8 keskihajonta keskiarvo 92 90 88 signaali 6 86 4 84 2 82 0-10 -5 0 5 10 15 20 25 30 Lämpötila/celsius 80 Kuva 4. Kuvista mitattujen taustasignaalin kohinan keskihajonnan (sininen) ja signaalin keskiarvon (oranssi) kuvaajat lämpötilan funktiona. Pystyakselien yksiköt ovat mielivaltaisia harmaa-arvoja. 10
Signaali-kohinasuhteen lämpötilariippuvuus on esitetty kuvassa 5. Kuvaajasta nähdään että signaali-kohinasuhteen optimi on 0 C kohdalla eli signaali-kohinasuhde laskee lämpötilan kasvaessa yli 0 C:n tai pienentyessä alle 0 C:n. 4 3 SNR 2 1 0-15 -10-5 0 5 10 15 20 25 30 35 Lämpötila/Celsius Kuva 5. Aurinkokennosta otettujen kuvien signaali-kohinasuhde CCD kennon lämpötilan funktiona. 11
5 YHTEENVETO Työssä tutkittiin lämpötilan vaikutusta piianturilla tehtävän elektroluminesenssimittauksen SNR:ään. Työssä käytetty kamera oli SBIG 8300M, joka on varustettu 8.3 megapikselin KAF- 8300 CCD-anturilla. Anturin lämpötilaa kontrolloitiin kameraan integroidulla peltier-elementillä. Kameralla kuvattiin amorfisesta piistä tehtyä aurinkokennoa, jonka läpi johdettiin 8A:n virta. Kuvia otettiin välillä -10 C - +30 C viiden celsiusasteen välein. Kuvia otettiin viiden sekunnin valoitusajalla viisi kappaletta aurinkokennosta ja viisi kappaletta peitetyllä objektiivilla. Otetuista kuvista laskettiin signaali-kohinasuhde kaavalla {1}. Saatujen tulosten perusteella SNR on maksimissaan 0 C:n lämpötilassa, joten SNR:ää ei saada viritettyä paremmaksi lämmittämällä anturia yli 0 C:n. EL-signaali kasvoi teorian mukaisesti lämpötilan noustessa kuten myös pimeä virta ja sen kohina. Silmämääräisesti arvioituna korkeammilla lämpötiloilla kuvista on helpompi tunnistaa yksityiskohtia. Tämä todennäköisesti johtuu siitä että työssä otetut kuvat on digitaalisesti skaalattu samalle kirkkaustasolle. Ihmisen kokema kontrasti, joka tässä tapauksessa liittyy yksityiskohtien tunnistamiseen, on hyvin yksilöllinen piirre ja se riippuu katsottavan kohteen kirkkaudesta. [6] Mahdollisissa jatko-mittauksissa laajennukset nykyiseen menetelmään voisivat olla lämpötilaalueen laajentaminen kumpaankin suuntaan ja ccd-anturin sekä kameran kohdistetumpi lämpötilan säätö. Tässä työssä käytetyssä kamerassa peltier-elementti lämmitti kameran elektroniikkaa samalla kun se viilensi CCD-anturia. 12
LÄHTEET [1] K. T. &. F. Athapol, Photographic diagnosis of crystalline silicon solar cells utilizing, Applied Physics A, pp. 189-196, 2008. [2] J. C. N. S. E. Morley M. Blouke, Temperature dependence of dark current in a CCD, tekijä: Proceedings of SPIE Vol. 4669, 2002. [3] A. O. a. W. H. W. Bludau, Temperature dependence of the band gap of silicon, Journal of Applied Physics, osa/vuosik. 45, p. 1846, 1974. [4] E. K. Company, KODAK KAF-8300 IMAGE SENSOR 3326 (H) X 2504 (V) FULL FRAME CCD IMAGE SENSOR, Kodaks, 2010. [5] S. W. Smith, The Scientist and Engineer's Guide to, San Diego: California Technical Publishing, 1997, p. Ch.2 p.17. [6] V. Sacek, telescope-optics.net, [Online]. Available: http://www.telescopeoptics.net/eye_intensity_response.htm#frequency. [7] C. G. S. &. W. S. KHOKLE, Interband recombination model for light emission from, International Journal of Electronics, osa/vuosik. 24, nro 2, pp. 177-183, 1968. [8] S. B. Christiana Honsberg, PVEducation.org, [Online]. Available: http://pveducation.org/pvcdrom/materials/optical-properties-of-silicon. [9] S. B. Christiana Honsberg, pveducation.org, [Online]. Available: http://pveducation.org. 13