Development of a Dark Lock-in thermography (DLIT) system and its application for characterizing thin film and crystalline photovoltaic generators

Abstract

In der vorliegenden Arbeit wurde ein Messaufbau für Dunkel Lock-in Thermographie (DLIT) ausgehend von einer handelsüblichen mobilen Wärmebildkamera entwickelt, und eine entsprechende Auswertungssoftware programmiert. Photovoltaik-Module unterschiedlicher kristalliner und Dünnschicht-Technologien wurden vermessen, nicht nur um den Einfluss der Mess-Parameter zu untersuchen, sondern auch, um die durch DLIT nun zugänglichen Analysemöglichkeiten aufzuzeigen. Korrelationen sowie Unterschiede zu anderen bildgebenden Charakterisierungs-Verfahren werden diskutiert. DLIT ist eine Weiterentwicklung der konventionellen Thermographie. Zeitreihen der Modul-Oberflächen-Temperaturen, die durch einen modulierten elektrischen Wärmeeintrag in den PV-Zellen eines Moduls entstehen, werden durch zeitliche Fourieranalyse demoduliert. Für jeden Bildpunkt resultiert die Amplitude und der Phasenversatz der Oberflächentemperatur-Schwankungen im Bezug zur elektrischen modulierten Heizleistung. Die durch DLIT abgebildete Heizleistung von Kurzschlüssen in der Zellstruktur weist eine etwa um den Faktor zehn bessere örtliche Auflösung auf als Analysen mittels klassischer Thermographie. Durch die hohe Informationsmenge pro Bildpunkt und deren erwarteter zeitlicher Periodizität können Schwankungen festgestellt werden, deren Intensitäten kleiner als das Rauschen des Messsystems sind. Da die Temperatur-Diffusionslänge mit der Puls-Frequenz abnimmt, kann die örtliche Auflösung bei hohen zeitlichen Anregungs-Frequenzen verbessert werden. Dies führt jedoch zu einer Verringerung der Schwankungs-Amplitude, und damit zu einer Erhöhung des relativen Rauschens. Verschiedene Modultechnologien (mono c-Si, poly c-Si, CdTe, a-Si, CIS) werden mittels DLIT, EL, und Thermographie verglichen. Die Ergebnisse zeigen, dass DLIT, speziell in Kombination mit Elektrolumineszenz, ein wertvolles Werkzeug in der Analyse von Photovoltaik-Modulen ist.

In presented thesis a dark Lock-in thermography (DLIT) measurement system based on a typical hand held thermography camera was developed, together with according software for measurement evaluation. Photovoltaic (PV) modules of various crystalline and thin film technologies were measured, to not only deduce the influence of measurement parameters, but also to explore analytical possibilities. Correlation and deviations to common imaging methods are discussed. DLIT is an improved thermography measurement. Time-series of the PV modules- surface temperature variations, caused by modulated electrical heating of PV cells, are Fourier-analyzed in time. This results in an amplitude and a phase for each pixel of the surface relative to the heating pulses. DLIT images of PV modules show faults with a typical ten times better special resolution than conventional thermography. Due to the amount of temporal measurements per pixel and the expected periodicity, signals amplitudes can be found with intensities smaller than the noise of a single measurement. As the heat diffusion length decreases with the pulse-frequency, the spatial resolution improves with the excitation-frequency. However, the absolute amplitude of surface temperature waves decrease, hence leading to more relative noise intensity in the DLIT images. Various PV module technologies (i.e. mono and poly c-Si, CdTe, a-Si, CIS) were analyzed using DLIT, EL, and conventional thermograph. The results show that DLIT is a very powerful tool to analyze defects in PV modules that is best paired with electroluminescence.