УСТРОЙСТВО КОНТРОЛЯ И ВИЗУАЛИЗАЦИИ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Полезная модель относится к измерительной и испытательной технике и может быть использована для визуального представления измеряемых электрических переменных величин в цифровом виде, в частности, для контроля качества готовых изделий на предприятиях полупроводниковой промышленности.
Известен способ обнаружения дефектов солнечных элементов (патент CN №101988904). Для его осуществления используется установка, включающая в себя расширитель лазерного луча, перемещающий его по солнечной батарее и регулирующий размер лазерного пятна для того, чтобы оно могло покрыть весь солнечный элемент; контроллер, регулирующий длину волны лазерного луча, чтобы заставить солнечный элемент люминесцировать. Камера ориентируется по солнечной батарее, чтобы снимать ее электролюминесценцию. Снятые на камеру изображения загружаются на компьютер через линию передачи данных и затем анализируются компьютерной программой на предмет наличия дефектов в солнечной батарее. С помощью расширителя лазерного луча, через который непосредственно диффундирует излучение, испускаемое полупроводниковым лазером, оно попадает на всю поверхность солнечного элемента. Таким образом, солнечные элементы могут быть исследованы без перемещения, даже если они тестируются не в составе солнечной батареи. Контроллер управляет длиной волны излучения лазера, благодаря чему люминесценция солнечного элемента постоянно поддерживается в оптимальном состоянии и точность обнаружения дефектов увеличивается. С помощью данной установки невозможно непосредственное получение координат локализации дефектных областей и реальной картины распределения уровня снимаемой с элемента мощности по площади фотоэлемента.
Наиболее близким, принятым за прототип, является устройство для измерения рабочих параметров областей фотоэлектрической ячейки, защищенное патентом США №4712063. Устройство состоит из лазерного источника света и оптических устройств, необходимых для получения нерасходящегося, точно ориентированного светового пучка и его фокусировки в ограниченной дифракцией области на фотоэлектрическом преобразователе (ФЭП). Оно также включает в себя перемещающуюся подвижку для монтажа и позиционирования ФЭП в целях обеспечения возможности проведения испытаний под сфокусированным в точку лазерным лучом; шаговые двигатели для точного и контролируемого перемещения монтажной подложки и ФЭП перпендикулярно Х- и Y- направлениям в плоскости, перпендикулярной сфокусированному в точку лазерному лучу. Известное устройство включает электрометр конструктивно подключенный к ФЭП и измеряющий величину тока, пропорциональную электрическому току, вырабатываемому ФЭП под действием освещения лазером его локальных областей. Компьютер используется для управления шаговыми двигателями, а также для сбора, хранения и обработки текущих электрических данных, поступающих от ФЭП. Графический плоттер подключен к компьютеру и управляется с него, что обеспечивает возможность получить визуальное отображение площади и плотности тока зон испытываемого ФЭП. В изобретении весь диапазон токов разбивается на несколько поддиапазонов (в примере в патенте их всего четыре). Каждому из поддиапазонов ставится в соответствие один цвет. аким образом, полученное визуальное отображение получается четырехцветным.
В реальных условиях эксплуатации, как правило, освещается вся или почти вся площадь ФЭП, поэтому распределение количественной характеристики (электрического тока), полученное в ходе исследования при освещении локальных областей ФЭП, не может считаться отражением работы ФЭП в реальных условиях, так как в данном случае отличаются условия генерации зарядов внутри полупроводников - отличается и реальная фотогенерирующая способность ФЭП.
Технической задачей, на решение которой направлена предлагаемая полезная модель, является получение визуализированной информации о распределении энергетических характеристик ФЭП при увеличении площади и точности сканирования, соответствующих реальным условиям эксплуатации.
Техническим результатом предлагаемой полезной модели является обеспечение возможности получения оптимальной величины фотоотклика, так как измеренный сигнал снимается с нагрузочного сопротивления, которое обеспечивает независимость снятого сигнала от других параметров цепи.
Поставленная задача и технический результат достигаются тем, что устройство лазерного сканирования фотоэлектрических преобразователей содержит связанный с фокусирующим узлом лазер, луч которого сканирует фотоэлектрический преобразователь, закрепленный на двухкоординатной моторизованной подвижке, связанной с платой управления компьютера, перемещающей фотоэлектрический преобразователь в плоскости, перпендикулярной оптической оси фокусирующего узла. Фотоэлектрический преобразователь подключен к измерительному модулю АЦП/ЦАП компьютера через нагрузочное сопротивление.
На Фигуре приведена блок-схема предлагаемого устройства для контроля и визуализации энергетических характеристик фотоэлектрических преобразователей.
Устройство содержит лазер 1 с источником питания 2; моторизованную подвижку 3, на которой может быть закреплен исследуемый образец - ФЭП 4 и фокусирующий узел 5 с юстировочным винтом 6 и микрообъективом 7, смонтированные в корпусе 8, компьютер 9, оборудованный носителем информации 10 с установленным на нем компьютерным приложением 11 для задания требуемого шага сканирования, платой управления моторизованной подвижкой 12 и модулем АЦП/ЦАП 13, содержащим в себе плату АЦП 14 с измерительными входами 15 и синхровходом 16 для обеспечения взаимодействия с выходом интенсивности 17, содержащейся в модуле АЦП/ЦАП платы ЦАП 18, нагрузочное сопротивление 19 для обеспечения подключения исследуемого ФЭП 4 к измерительным входам 15 платы АЦП 14 через кабель 21, оптоволоконный патч-корд 20 коллимационной системы, через который лазерное излучение попадает в фокусирующий узел 5, разъемы 22 и 23 для питания шаговых двигателей моторизованной подвижки 3 и вывода сигнала фотоответа на компьютер 9; переходник 24 для подключения оптоволоконного патч-корда 20.
В качестве лазера может использоваться лазерный модуль мощностью не менее 1 Вт, имеющий длину волны излучения, согласованную со спектральной восприимчивостью исследуемого фотоэлектрического преобразователя (ФЭП) 4. В зависимости от восприимчивости ФЭП 4 к излучению с конкретной длиной волны, необходимая минимальная мощность может меняться. Также может быть использован лазер с перестраиваемой длиной волны. Необходимо отметить, что наиболее важным параметром, влияющим на точность получаемых данных и, соответственно, на качество получаемого с помощью устройства изображения (электрограммы), является расходимость излучения. Диаметр сечения лазерного луча при попадании его на исследуемый ФЭП 4 определяются расстоянием до поверхности ФЭП 4 и кратностью микрообъектива 7 фокусирующего узла 5. Исследуемый ФЭП 4 подключается к измерительным входам 15 платы АЦП 14 через нагрузочное сопротивление 19 для получения оптимальной средней величины фотоотклика ФЭП 4.
Рассмотрим работу устройства. Через оптоволоконный патч-корд коллимационной системы 20, подключенный к фокусирующему узлу 5, лазерное излучение попадает в микрообъектив 7, положение которого относительно ФЭП 4 для настройки фокуса регулируется с помощью юстировочного винта 6. После прохождения через микрообъектив 7, лазерный луч попадает непосредственно на исследуемый ФЭП 4, закрепленный на столике прецизионной двухкоординатной трансляционной моторизованной подвижки 3, с помощью которой осуществляется изменение места падения лазерного луча на ФЭП 4. Требуемый шаг сканирования по горизонтали и вертикали задается с помощью компьютерного приложения 11. Исходя из этого определяется величина области сканирования. Величина выходного напряжения фиксируется через временной промежуток, необходимый для смещения места падения лазерного луча на фотопреобразователь на требуемое расстояние. Скорость сканирования зависит от заданного количества шагов сканирования по вертикали и горизонтали. Сигнал, пропорциональный фотоответу, регистрируется по кабелю 21 через нагрузочное сопротивление 19.
Для удобства использования в корпусе установки смонтированы разъемы 22,23 для питания шаговых двигателей моторизованной подвижки и вывода сигнала фотоответа на компьютер 9, а также переходник 24 для подключения оптоволоконного патч-корда. Через кабель 21 сигнал фотоответа доходит до АЦП 14. Далее он фиксируется с помощью компьютерного приложения 11.
Текущее напряжение записывается в бинарный файл. После проведения процедуры сканирования файл содержит матрицу напряжений, пропорциональных по величине фотооткликам ФЭП при сопротивлении в цепи, задаваемом электронной нагрузкой во время сканирования. Полученный файл переводится в графическую форму с помощью компьютерного приложения 11. На основе полученной матрицы напряжений строится графическая диаграмма фотографического качества (электрограмма), демонстрирующая разницу снимаемого с фотоэлектрической панели напряжения в зависимости от места падения лазерного луча, при этом диапазону полученных напряжений ставится в соответствие определенный цветовой диапазон. Таким образом, по цвету участка полученного изображения можно визуально оценить качество работы соответствующего ему участка ФЭП 4.
Измерение падения напряжения на нагрузочном сопротивлении, через которое подключен ФЭП, при освещении его поверхности в каждой данной точке, позволяет получить матрицу фотоэлектрических откликов, привязанную к координатам узлов координатной сетки, в которых производится освещение и синхронизированный с ним замер падения напряжения на нагрузочном сопротивлении. Таким образом, реализуется возможность определения места локализации дефекта и его размеров с точностью, задаваемой предварительной установкой разрешения матрицы фотооткликов (количеством снимаемых точек на площадь ФЭП и размером лазерного пятна. В основу работы устройства заложено непосредственное определение эксплуатационно-значимых характеристик, что позволяет не только определять дефекты и их месторасположение, но и количественно оценить влияние этих дефектов на энергетические характеристики ФЭП. Точечно сканируют поверхность фотопреобразователя и используют компьютерное приложение для обработки фотооткликов и соответствующих координат. то визуализирует работу ФЭП в целом и одновременно отражает энергетические характеристики отдельных областей. Полученная матрица энергетических характеристик уже содержит в себе координаты дефектных областей, которые не нужно определять.
Разработанное устройство лазерного сканирования, пригодно для получения информации в цифровом виде о распределении энергетических характеристик ФЭП, детектирования и нахождения координат дефектных областей.
Совокупность технических решений, примененных в Установке лазерного сканирования, позволяет решить поставленные задачи:
1. получить информацию о распределении энергетических характеристик ФЭП в цифровом виде, доступную для дальнейшей обработки с помощью различных приложений для визуализации данных;
2. осуществить визуализацию данных, позволяющую быстро оценить работоспособность ФЭП и распределение их энергетических характеристик;
3. оценить в процентном отношении предел возможности улучшения удельных энергетических характеристик ФЭП.
Разработанное устройство было реализовано в процессе экспериментальных исследований на испытательном стенде ГНЦ ФГУП «Центра Келдыша». В опытном образце установки в качестве лазера использовался диодный лазерный модуль с максимальной мощностью 1,29 Вт и длиной волны излучения 532 нм. Минимальное смещение места падения лазерного луча на фотопреобразователь (шаг сканирования) определялось возможностями моторизованной подвижки 3 и составило 1,25 мкм.