材料老化測試設備及其測試方法
【專利摘要】本發(fā)明公開一種材料老化測試設備及其測試方法，材料老化測試設備包括一脈沖激光光源，用以提供第一光束；一擴束組件，用以將第一光束轉換成第二光束后投射至一物件；一平臺，用以承載該物件；以及一頻譜分析儀，用以量測該物件因第二光束的投射所產生的頻譜響應。
【專利說明】材料老化測試設備及其測試方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及一種測試設備及測試方法，尤其是涉及一種材料老化測試設備及其測試方法。

【背景技術】
[0002]太陽能是一種永不耗盡且無污染的能源，在解決目前石化能源所面臨的污染與短缺時，一直是最受矚目的焦點。其中，又以太陽能電池(solar cell)可直接將太陽能轉換為電能，而成為目前相當重要的替代能源方案之一。
[0003]一般而言，此種長時間在戶外環(huán)境使用的產品，其耐候性往往受到環(huán)境、氣候的影響。舉例來說，無論是太陽能電池本身亦或其封裝材料，其長時間在太陽光底下運作的情況下，紫外線是造成材料劣化的原因之一。
[0004]因此，為了提升產品的使用壽命，并在短時間內獲得產品的耐候參數，通常會對產品進行加速老化測試，而當老化測試完成后，再對經過老化測試的樣品進行頻譜量測，以作為老化參數調控的依據。
[0005]然而，若以太陽模擬光源、氙燈或是紫外線燈管作為老化測試設備加速老化的測試光源時，由于受限于光源的運作模式，多是以大面積光源照射樣品，因而減弱了光源在單位面積上的照度，此時為提高老化的速率，通常會以提高光源強度為一方式，但此舉卻容易造成樣品溫度增加，容易導致樣品受熱，進而影響樣品老化的因素。此外，上述老化光源多采大范圍面積老化，不易對樣品進行局部照射及對各個局部投射不同照度的光源。此外，上述光源皆以一定范圍的波長對樣品進行老化照射，其可能無法進一步地提供單一波長光源或隨著條件微調其波長范圍。
[0006]如前所述，完成老化測試后，再對經過老化測試的樣品進行頻譜量測，以作為老化參數調控的依據。就相關【技術領域】業(yè)者而言，老化測試設備與頻譜量測設備多是獨立的二種設備，且由于老化測試設備所采用的光源與頻譜量測設備所采用的光源不同，會將完成老化測試的樣品移送至頻譜量測平臺進行頻譜量測。
[0007]此外，若將頻譜量測設備設置于老化測試設備內部并配合一旋轉平臺，利用平臺旋轉將完成老化測試的樣品送至頻譜系統(tǒng)相對應位置以進行樣品頻譜量測，其所能達成的功效為可縮短樣品移送過程的時間，但是老化測試與頻譜量測所采用的光源不同，因此也不易同時進行老化測試與頻譜量測，此外，可能會使設備體積極為龐大。
[0008]基于上述，如何提高老化測試效率，并能于老化測試過程中同步進行頻譜量測，是目前研究的課題之一。


【發(fā)明內容】

[0009]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種材料老化測試設備，包括一脈沖激光光源，用以提供一第一光束；一擴束組件，用以將該第一光束轉換成一第二光束后投射至一物件；一平臺，用以承載該物件；以及一頻譜分析儀，用以量測該物件因該第二光束的投射所產生的頻譜響應。
[0010]本發(fā)明提出一種材料老化測試方法，包括由一脈沖激光光源提供一第一光束投射至一擴束組件；該第一光束經由該擴束組件轉換成一第二光束后投射至一物件，并持續(xù)投射一段時間；以及于該第二光束投射于該物件的該段時間內，由一頻譜分析儀量測該物件因該第二光束的投射所產生的頻譜響應。
[0011]為使本發(fā)明的結構、目的和功效有更進一步的了解，茲配合圖示詳細說明如后。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明一實施例的架構示意圖；
[0013]圖2是圖1的第二光束在物件上形成光斑的移動路徑示意圖；
[0014]圖3是本發(fā)明的擴束組件一實施例的結構示意圖；
[0015]圖4是本發(fā)明的擴束組件另一實施例的結構示意圖；
[0016]圖5是本發(fā)明的擴束組件又一實施例的結構示意圖；
[0017]圖6是本發(fā)明利用脈沖激光光源作為老化測試光源與傳統(tǒng)老化測試光源的比較曲線圖；
[0018]圖7是本發(fā)明物件的光子數量隨時間變化的頻譜響應圖；
[0019]圖8是將圖7積分后的頻譜響應圖。
[0020]符號說明
[0021]100:材料老化測試設備
[0022]110:基座
[0023]120:平臺
[0024]130:脈沖激光光源
[0025]140、140A、140B:擴束組件
[0026]141、142:光學元件
[0027]150:平臺
[0028]160:溫度控制模塊
[0029]170:頻譜分析儀
[0030]171:濾光片
[0031]200:物件
[0032]A1、A2、A3、A4:區(qū)塊
[0033]B1:第一光束
[0034]B2:第二光束
[0035]C1、C2、C3、C4:曲線
[0036]L1、L2、L3、L4:路徑
[0037]SP1、SP2、SP3、SP4:光斑

【具體實施方式】
[0038]以下將參照隨附的附圖來描述本發(fā)明為達成目的所使用的技術手段與功效，而以下附圖所列舉的實施例僅為輔助說明，以利了解，但本案的技術手段并不限于所列舉附圖。
[0039]請參閱圖1所示，材料老化測試設備100用以對一物件200進行光老化測試，用于得知材料的耐候特性。材料老化測試設備100包括一基座110、一平臺120、一脈沖激光光源130、一擴束組件140以及一頻譜分析儀170?；?10例如是一花崗石座，而將平臺120、脈沖激光光源130、擴束組件140與頻譜分析儀170架設其上。平臺120例如是一 X軸-Y軸移動平臺，其用以承載并驅使物件200移動。擴束組件140位在平臺120與物件200的上方。脈沖激光光源130所發(fā)出光束經由擴束組件140而投射至平臺120上的物件200。此夕卜，材料老化測試設備100還包括設置在平臺120上的一平臺150與一溫度控制模塊160，其中平臺150是利用真空吸附的方式將物件200固定其上，而溫度控制模塊160設置在平臺150內且具有水冷式回路(未繪示)，用以對平臺150上的物件200提供冷卻的效果。
[0040]脈沖激光光源130用以提供一第一光束BI至擴束組件140，并經由擴束組件140將第一光束BI轉換成一第二光束B2后方投射至物件200表面。該第一光束BI的功率可調整，且該第一光束BI的波長可調整。在此，本實施例的脈沖激光光源130是以產生波長范圍280nm(納米)至400nm的第一光束BI與第二光束B2，亦即以對材料劣化有明顯影響的紫外光作為光老化的照射光源。
[0041]在本實施例中，脈沖激光光源130為短脈沖激光，其脈沖寬度小于I μ s (微秒)，脈沖重復率大于或等于1Hz (赫茲)，以讓激光的平均能量能轉換成周期性且瞬時的高能量，而讓物件200所承受的照度具有周期性且瞬時的高強度老化作用，但是低累積能量的老化效果。
[0042]舉例來說，當物件200為太陽能電池模塊時，以能量為10Mj (百萬焦耳)，脈沖寬度為5ns (奈秒)以及脈沖重復率1Hz (赫茲)的脈沖激光光源130為例，經擴束組件140而投射至物件200上的第二光束B2，其平均功率密度能依據不同的擴束面積調整為1kw/m2 (千瓦/平方米)至0.lkw/m2，但因脈沖激光光源130的特性，而使物件200所承受的瞬間照度(以5ns進行換算)達20Mkw/m2?0.2Mkw/m2，依照此適中的平均功率密度作用下，將可以對太陽能電池模塊進行加速光老化的作用而不致于導致模塊的燒熔或再結晶(回火)作用。類似地，當物件200為高分子材料時，第二光束B2的平均功率密度為5kw/m2至
0.lkw/m2，可對物件200進行加速光老化的作用而不致于導致高分子材料的破壞。
[0043]除了提供瞬時高功率密度的老化特性外，通過激光的脈沖特性，其異于現有持續(xù)性的照射光源，因而照射在物件200上的能量并不會因此而累積，亦即物件200的溫度并不會因持續(xù)照射而逐漸增加，故能有效地降低物件200因熱效應而影響其光老化測試。換句話說，本實施例的材料老化測試設備100，其通過設置在平臺150內的溫度控制模塊160便足以達到控制物件200溫度的效果。在本實施例中，溫度控制模塊160可將平臺150上的物件200溫度維持在10°C至60°C，除避免熱量累積而影響其光老化外，也能有效地避免材料發(fā)生再結晶(或退火)的現象，甚至因燒熔而損壞。
[0044]圖2是圖1的第二光束在物件上形成光斑的移動路徑示意圖。請同時參考圖1與圖2，在本實施例中，通過平臺120帶動物件200移動，而能讓使用者控制第二光束B2在物件200上的移動路徑，并進一步地依據測試條件而調整第二光束B2的移動路徑、功率與波長范圍。
[0045]舉例來說，將物件200表面區(qū)分成四個區(qū)塊Al至A4 (即為老化區(qū))，并使第二光束B2在區(qū)塊Al至A4中分別以不同路徑行經物件200的表面，同時讓第二光束B2的功率、波長甚或照射面積隨著路徑而改變。如此一來，在區(qū)塊Al中，第二光束B2在物件200上形成的光斑SPl便是以路徑LI進行掃描。同樣地，在區(qū)塊A2至A4也能以類似方式而讓光斑SP2至SP4分別以路徑L2至L4進行掃描，其中所述路徑LI至L4可以分別具有不同的疏密程度。如此一來，使用者便能在同一物件200上以多種條件形成的光斑進行照射，因而能以更有效率的方式取得物件200對于光老化的耐受參數。此外，通過可調波長的脈沖激光光源130，也能針對部分特定波長而對物件200產生選擇性老化的結果，使用者并能因此找出物件200的材料特征對應特定吸收波長的相對關系。
[0046]此外，為順利達到上述效果，從脈沖激光光源130投射出的第一光束BI可以先以擴束組件140對其進行轉換，而后以第二光束B2投射在物件200上以形成所需條件的光斑。圖3是本發(fā)明的擴束組件一實施例的結構示意圖。請參考圖3，擴束組件140是由多個光學元件(或透鏡組)141、142所組成，以將第一光束BI的光斑面積擴大并整形成所需的輪廓，亦即使本實施例的第二光束B2的光斑面積大于第一光束BI的光斑面積。如圖2所繪示，在20cm2 (平方厘米)的物件200上形成面積大于Icm2的光斑SPl至SP4，而再以圖2所繪示不同路徑掃描物件200，以達到對物件200進行加速光老化的效果。此外，經由擴束之后的第二光束B2，其單位面積能量也會因此小于第一光束BI的單位面積能量，此舉同時降低物件200所承受的能量而避免溫度過高。
[0047]在此并未限制擴束組件的組成，任何能對脈沖激光光源130所發(fā)出的第一光束BI予以擴束、整形者，皆可適用于本實施例。圖4是本發(fā)明另一實施例擴束組件的示意圖，本實施例擴束組件140A為伽利略擴束鏡組(Galilean beam expander),在結構上異于圖3所繪示者為開普勒式擴束鏡組(Keplerian beam expander),但卻能達到類似的擴束效果。此夕卜，圖5是本發(fā)明另一實施例擴束組件的示意圖，擴束組件140B能同時針對雙光束分別進行擴束整形的效果。據此，使用者能針對物件的面積大小與外形，而通過這些擴束組件以進一步設定所需的光斑輪廓及大小。
[0048]本發(fā)明由脈沖激光光源作為老化測試光源的效果，可參閱圖6所示，其中，曲線C1、C2、C3分別代表于相同條件下采用傳統(tǒng)氙燈照射三種不同材質物件時，其黃化指數隨時間變化的曲線，對于曲線Cl、C2所代表的物件而言，都需要高達5，600小時，方能使黃化指數趨近10，至于曲線C3所代表的物件，甚至要超過5，600小時才有可能使黃化指數趨近于10。然而，于相同條件下，當采用脈沖激光光源作為老化測試光源照射曲線Cl所代表的材料時，僅需400小時即可達到所需的黃化指數等于10，如圖6中的曲線C4所示，證明本發(fā)明采用脈沖激光光源作為老化測試光源具有其可實施性并能達成其功效，本發(fā)明老化的時程確實比傳統(tǒng)老化的方式有明顯加速的效果。
[0049]在此說明，圖6所示曲線C1、C2、C3為參考文獻的結果，且為相同材質但不同配方的材料。至于利用脈沖激光光源老化(亦即本發(fā)明)的結果為曲線C4，也是相同材質但不同配方的材料。關于上述參考文獻，其是Nat1nal Renewable Energy Laboratory (NREL)于2008 年 12 月 4_5 日于中國上海所召開的”APP Internat1nal PV Reliability Workshop”會議，由John Pern, Ph.D.所提出的公開文獻。
[0050]請參考圖1所示，說明本發(fā)明的頻譜分析儀170的作用。當第二光束B2投射于物件200時，可使物件200激發(fā)熒光，頻譜分析儀170量測物件200的材料分子吸收激光光源能量后材料分子因躍遷所產生的熒光，此熒光會因躍遷的機制不同而有不同的激發(fā)熒光波長，而物件200老化程度與激發(fā)熒光的衰減有關，請參閱圖7所示，物件在老化的同時，經由頻譜量測每一段時間，包括O小時、16小時、21小時、26小時及31小時的頻譜響應,顯示物件的頻譜響應會隨著時間增加而下降。將圖7的頻譜響應圖作積分，更可看出頻譜響應隨時間而下降的效果，如圖8所示，其中，20mJ為投射物件的能量。據此，本發(fā)明采用頻譜分析儀170配合濾光片171，于第二光束B2投射于物件200的一段時間內，由頻譜分析儀170量測物件200因第二光束B2的投射所產生的頻譜響應。
[0051]頻譜分析儀170可與材料老化測試設備100 —并啟動，也可于脈沖激光光源130射出第一光束BI時啟動，沒有一定限制，但至少于第二光束B2開始投射于物件200，直至物件200激發(fā)熒光的頻譜響應達到最高點并隨時間下降(如圖7所示)至最低點(無頻譜響應)之間的時間，量測物件200的頻譜響應，例如，若物件是太陽能電池模塊時，通常其熒光范圍約為400?800nm。而濾光片171的種類，是依所測試物件200的不同而可更換。例如，頻譜分析儀170可以采用350?100nm的可見光量測，濾光片171可以采用可見光濾光片(如380?720nm)以濾掉380nm以下的高能量短波長激發(fā)光源，僅量測到380?720nm的熒光吸收。如果以白光光源替代脈沖激光光源130時，則無需使用濾光片，僅量測其反射的可見光部分即可。
[0052]請參閱圖1所示，通過本發(fā)明提出的材料老化測試設備，可提供一種材料老化測試方法，其包括以下步驟:
[0053]由一脈沖激光光源130提供一第一光束BI投射至一擴束組件140 ；
[0054]第一光束BI經由擴束組件140轉換成一第二光束B2后投射至一物件200，并持續(xù)投射一段時間；以及
[0055]于第二光束B2投射于物件200的一段時間內，由一頻譜分析儀170量測物件200因第二光束B2的投射所產生的頻譜響應。
[0056]在本發(fā)明的上述實施例中，材料老化測試設備通過使用短脈沖激光作為光源，并經由擴束組件調整其光束面積以降低其單位面積平均照度，因而能以較低累積能量但最強瞬間能量的光源照射物件，其能有效改善以燈管式或燈箱式的光老化設備所產生的問題。再者，由于脈沖激光光源能提供物件局部區(qū)塊的光老化照射，因此搭配以移動平臺而使脈沖激光光源以不同功率、不同路徑與不同波長照射物件，而在同一物件上完成各種不同條件的光老化照射。此舉讓材料老化測試設備能以更有效率的方式找出物件的光老化參數。此外，本發(fā)明所提供的材料老化測試是采用脈沖激光作為光源，于物件老化的過程中，可即時同步量測物件的頻譜響應(亦即物件所激發(fā)熒光的衰減情形)，作為材料老化評估的依據。
[0057]綜上所述，本發(fā)明采用單一光源(脈沖激光)即可同步進行老化及頻譜檢測，不必更換光源，且由于物件設置于可多軸移動的平臺，可用以承載并驅使物件移動，因此也無須移動物件。
[0058]以上所述的僅為本發(fā)明的實施例而已，當不能以此限定本發(fā)明實施的范圍；故凡依本發(fā)明權利要求及說明書內容所作的簡單的等效變化與修飾，皆應仍屬本發(fā)明專利涵蓋的范圍內。
【權利要求】
1.一種材料老化測試設備，包括: 脈沖激光光源，用以提供一第一光束； 擴束組件，用以將該第一光束轉換成一第二光束后投射至一物件； 平臺，用以承載該物件；以及 頻譜分析儀，用以量測該物件因該第二光束的投射所產生的頻譜響應。
2.如權利要求1所述的材料老化測試設備，其中該頻譜分析儀與該物件之間設有一濾光片。
3.如權利要求1或2所述的材料老化測試設備，其中該平臺為一移動式平臺，該物件隨該移動式平臺移動，而使該第二光束以至少一路徑投射至該物件。
4.如權利要求3所述的材料老化測試設備，其中該物件分隔為多個老化區(qū)，該第二光束以多個路徑投射于該些老化區(qū)，不同老化區(qū)含不同疏密路徑。
5.如權利要求1所述的材料老化測試設備,其中該第一光束的功率可調整。
6.如權利要求1所述的材料老化測試設備，其中該第一光束的波長可調整。
7.如權利要求6所述的材料老化測試設備，其中該第一光束波長可調整范圍是280nm至 400nm。
8.如權利要求1所述的材料老化測試設備，其中該物件為太陽能電池，且該第二光束的平均功率密度為10kw/m2至0.lkw/m2。
9.如權利要求1所述的材料老化測試設備，其中該物件為高分子材料，而且該第二光束的平均功率密度為5kw/m2至0.lkw/m2。
10.如權利要求1所述的材料老化測試設備，其中該脈沖激光光源的脈沖寬度小于I μ S，脈沖重復率大于或等于1Hz。
11.如權利要求1所述的材料老化測試設備，其中該第二光束投射在該物件上的面積大于Icm20
12.如權利要求1所述的材料老化測試設備，還包括: 溫度控制模塊，連接該平臺，以調整該平臺用以承載該物件處的溫度。
13.如權利要求12所述的材料老化測試設備，其中該平臺溫度可調范圍為10°C至60。。。
14.如權利要求1所述的材料老化測試設備，其中該第二光束投射于該物件時，可使該物件激發(fā)熒光。
15.一種材料老化測試方法，包括: 由一脈沖激光光源提供一第一光束投射至一擴束組件； 該第一光束經由該擴束組件轉換成一第二光束后投射至一物件，并持續(xù)投射一段時間；以及 于該第二光束投射于該物件的該段時間內，由一頻譜分析儀量測該物件因該第二光束的投射所產生的頻譜響應。
16.如權利要求15所述的材料老化測試方法，其中該頻譜分析儀量測該物件的頻譜響應的時間，至少于該第二光束開始投射于該物件，直至該物件激發(fā)熒光的頻譜響應達到最高點并隨時間下降至最低點為止之間的時間。
17.如權利要求16所述的材料老化測試方法，其中該物件激發(fā)熒光的頻譜響應下降至的該最低點指該物件無頻譜響應的時點。
18.如權利要求15、16或17所述的材料老化測試方法，其中該第二光束投射于該物件時，可使該物件激發(fā)熒光，該頻譜分析儀量測該物件所產生的熒光的頻譜響應。
【文檔編號】G01N17/00GK104345025SQ201310421035
【公開日】2015年2月11日 申請日期:2013年9月16日 優(yōu)先權日:2013年8月2日
【發(fā)明者】林義暐, 黎宇泰, 吳鴻森 申請人:財團法人工業(yè)技術研究院