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研究生:梁均帆
論文名稱:含裂縫矽晶太陽能電池的面內與面外共振模態量測
論文名稱(外文):Measurement of In-plane and Out-of-plane Resonance Modes in Cracked Crystalline Silicon Solar Cells
指導教授:尹慶中
學位類別:碩士
校院名稱:國立交通大學
系所名稱:機械工程學系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2012
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:110
中文關鍵詞:裂紋檢測電子光斑干涉術矽晶太陽能電池
外文關鍵詞:Crack detectionelectronic speckle pattern interferometrycrystalline silicon photovoltaic cells
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薄紙般的矽晶太陽能電池兼具結構撓性及材料脆性,製造過程中容易產生肉眼不易察覺的細微裂縫,當太陽能電池組成模組時,受熱或壓力等負荷,容易發生結構性破壞。本研究以自行研發的寬頻壓電換能器量測矽晶太陽能電池的振動頻率響應函數,再以共振頻率激發對應之共振模態,應用量測面內及面外位移之電子光斑干涉術(ESPI),全域檢測矽晶太陽能電池。矽晶太陽能電池面內振動的模態密度低,適宜以ESPI拍攝面內共振模態,檢出貫穿裂縫位置,裂縫附近之光斑干涉條紋呈現不連續。然而,面外振動的模態密度高,不易以ESPI拍攝出共振模態,但仍可以單頻激發的振形清晰檢出表面裂縫的特徵,表面裂縫附近的光斑干涉條紋呈現V形特徵。有限元素分析之共振模態與量測結果驗證了實驗的有效性。
中文摘要 iii
英文摘要 iv
誌謝 vi
目錄 vii
表目錄 ix
圖目錄 xi
第一章 緒論 1
1.1研究背景 1
1.2文獻回顧 2
1.2.1電子光斑干涉術 2
1.2.2超音波共振法 3
1.3內容簡述 5
第二章 工作原理與壓電換能器模擬分析 13
2.1電子光斑干涉術 13
2.2壓電效應 14
2.2.1 壓電材料的本構方程式 15
2.3三維有限元素分析之元素及網格 16
2.4錐形壓電換能器設計與分析 17
第三章 面內振動的數值模擬分析 27
3.1面內共振模態 27
3.2太陽能電池面內振動分析 27
3.2.1太陽能電池模態分析 28
3.2.2太陽能電池時諧分析 28
第四章 實驗量測結果與討論 40
4.1面內模態共振實驗裝置 40
4.1.1錐形壓電換能器的有效量測範圍 40
4.1.2太陽能電池面內共振頻率量測 41
4.2 ESPI量測面內位移實驗與結果 42
4.2.1多晶太陽能電池的量測 43
4.2.2單晶太陽能電池的量測 44
4.3含缺陷太陽能電池的量測 45
4.3.1貫穿裂縫 45
4.3.2表面裂縫 47
4.4實驗結果與討論 48
第五章 面外電子光斑干涉術實驗量測 83
5.1面外圓柱形壓電換能器 83
5.2多晶太陽能電池面外共振頻率量測 84
5.3多晶太陽能電池之ESPI面外量測 84
5.4結果與討論 85
第六章 結論與展望 94
6.1結論 94
6.2未來展望 96
參考文獻 103
附錄 105

[1] 鄭志遠 (2011),矽基板面內共振的電子光斑干涉量測,國立交通大學機械工程學系碩士論文,新竹市,台灣。
[2] J. N. Butters and J. A. Leendertz (1971), “Speckle patterns and holographic techniques in engineering metrology,” Optics Laser Technol., 3(1), 26–30.
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[9] S. Ostapenko, W. Dallas, D. Hess, O. Polupan, and J. Wohlgemuth (2006), “Crack detection and analyses using resonance ultrasonic vibrations in crystalline silicon wafers,” IEEE, 920-923.
[10] S. Ostapenko, A.Belyaev, O. Polupan, W. Dallas, and D. Hes (2006), “Crack detection and analyses using resonance ultrasonic vibrations in full-size crystalline silicon wafers,” Applied Physics Letters, 88, 111907.
[11] A. Belyaev, O. Polupan, S. Ostapenko, D. Hess, and J. P Kalejs (2006), “Resonance ultrasonic vibration diagnostics of elastic stress in full-size silicon wafers,” Semiconductor Science and Technology, 21, 254-260.
[12] W. Dallas, O. Polupan, and S. Ostapenko (2007), “Resonance ultrasonic vibration for crack detection in photovoltaic silicon wafers,” Measurement Science and Technology, 18, 852-858.
[13] C. Hilmersson, D. P. Hess, W. Dallas, and S. Ostapenko (2007), “Crack detection in single-crystalline silicon wafers using impact testing,” Applied Acoustics, 69, 755–760
[14] A. Monastyrskyi, S. Ostapenko, O. Polupan, H. Maeckel, and M. A. Vazquez (2008), “Resonance ultrasonic vibrations for in-line crack detection in silicon wafers and Solar Cells,” IEEE the 33th Photovoltaic Specialists Conference .
[15] A. Belyaev, Yu. Emirov, S. Ostapenko , I. Tarasov, V. Verstraten, M. Van Dooren, P. G. Fumei, G. Van Veghel, P. Bentz, and A. Van Der Heide (2009), “Yield enhancement for solar cell manufacturing using resonance ultrasonic vibrations inspection,” IEEE the 34th Photovoltaic Specialists Conference, 001918-001921.
[16] Yu. Emirov, A. Belyaev, D. Cruson , I. Tarasov, A. Kumar, H. Wu, S. Melkote, and S. Ostapenko (2011), “Pinhole detection in si solar cell using resonance ultrasonic vibrations,” IEEE the 37th Photovoltaic Specialists Conference, 002161-002163.
[17] 溫子逵 (2012),電子光斑干涉術應用於矽晶太陽能電池之裂縫檢測,國立交通大學機械工程學系博士論文,新竹市,台灣。
[18] ANSYS, Release 11.0 Documentation for ANSYS:Element Library. SAS IP, Inc., USA, 2007.

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