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摘 要 本文基于電致發(fā)光（Electroluminescence,EL）的理論，介紹了利用近紅外檢測(cè)的方法，檢測(cè)出了晶體硅太陽(yáng)電池及組件中常見的隱性缺陷。這些缺陷包括：硅材料缺陷、擴(kuò)散缺陷、印刷缺陷、燒結(jié)缺陷以及組件封裝過程中的裂紋等，并簡(jiǎn)要分析了造成這些缺陷的原因。
近年來(lái)隨著光伏行業(yè)的迅猛發(fā)展，光伏組件質(zhì)量控制環(huán)節(jié)中測(cè)試手段的不斷增強(qiáng)，原來(lái)的外觀和電性能測(cè)試已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足行業(yè)的需求。目前一種可以測(cè)試晶體硅太陽(yáng)電池及組件潛在缺陷的方法為行業(yè)內(nèi)廣泛采用，即EL測(cè)試。EL是英文electroluminescence的簡(jiǎn)稱，譯為電致發(fā)光或場(chǎng)致發(fā)光。目前EL測(cè)試技術(shù)已被很多晶體硅太陽(yáng)電池及組件廠家應(yīng)用，用于產(chǎn)品的成品檢驗(yàn)和在線產(chǎn)品質(zhì)量控制。
1. EL測(cè)試的原理
在太陽(yáng)電池中，少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于勢(shì)壘寬度，因此電子和空穴通過勢(shì)壘區(qū)時(shí)因復(fù)合而消失的幾率很小，繼續(xù)向擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散。在正向偏置電壓下，p-n結(jié)勢(shì)壘區(qū)和擴(kuò)散區(qū)注入了少數(shù)載流子，這些非平衡少數(shù)載流子不斷與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光，這就是太陽(yáng)電池電致發(fā)光的基本原理[1]。發(fā)光成像有效地利用了太陽(yáng)電池間帶中激發(fā)電子載流子的輻射復(fù)合效應(yīng)。在太陽(yáng)能電池兩端加入正向偏壓, 其發(fā)出的光子可以被靈敏的CCD 相機(jī)獲得, 即得到太陽(yáng)電池的輻射復(fù)合分布圖像。但是電致發(fā)光強(qiáng)度非常低, 而且波長(zhǎng)在近紅外區(qū)域，要求相機(jī)必須在900-1100nm 具有很高的靈敏度和非常小的噪聲。
EL測(cè)試的過程如圖1所示，晶體硅太陽(yáng)電池外加正向偏置電壓，直流電源向晶體硅太陽(yáng)電池注入大量非平衡載流子，太陽(yáng)電池依靠從擴(kuò)散區(qū)注入的的大量非平衡載流子不斷地復(fù)合發(fā)光，放出光子，也就是光伏效應(yīng)的逆過程；再利用CCD相機(jī)捕捉到這些光子，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理后以圖像的形式顯示出來(lái)，整個(gè)過程都在暗室中進(jìn)行。
EL測(cè)試的圖像亮度正比于電池片的少子壽命（或少子擴(kuò)散長(zhǎng)度）與電流密度，太陽(yáng)電池中有缺陷的地方，少子擴(kuò)散長(zhǎng)度較低，所以顯示出來(lái)的圖像亮度較暗。通過EL測(cè)試圖像的分析可以有效的發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)電池及組件的缺陷，包括硅材料缺陷、擴(kuò)散缺陷、印刷缺陷、燒結(jié)缺陷以及組件封裝過程中的裂紋等。
圖1 EL測(cè)試原理圖
2. EL測(cè)試常見缺陷及分析
2.1 破片
組件中的破片多出現(xiàn)在焊接和層壓工序，EL測(cè)試圖如圖2所示。
圖2 破片EL測(cè)試圖
2.2 隱裂
太陽(yáng)能電池所采用的硅材料脆度較大，因此在電池片生產(chǎn)和組件封裝過程中很容易產(chǎn)生裂片。裂片分兩種一種是顯裂，一種是隱裂。顯裂是肉眼可直接看到，在制作組件之前就可以剔除；而隱裂則不行，并且在組件制作過程中更容易產(chǎn)生碎片等問題。
通過EL測(cè)試圖就可以觀測(cè)到，如圖3所示，由于單晶硅（100）面的解離面是（111），因此單晶電池的隱裂一般沿著硅片的對(duì)角線方向的“X”裝圖形。但是由于多晶硅片存在晶界的影響有時(shí)很難區(qū)分晶界與隱裂，見圖4區(qū)域。
圖3 單晶隱裂EL測(cè)試圖
圖4 多晶隱裂EL測(cè)試圖
2.3 斷柵
斷柵主要是由與電池片本身柵線印刷不良和焊接過程造成的。從EL測(cè)試圖中可以看出顯示為黑線狀，這是因?yàn)樵跂啪€斷掉后，從主柵線上注入的電流在斷柵附近電流密度很小甚至沒有，從而導(dǎo)致EL發(fā)光強(qiáng)度下降或不發(fā)光。
圖5 斷柵EL測(cè)試圖
2.4 燒結(jié)缺陷
一般而言，燒結(jié)參數(shù)沒有優(yōu)化或設(shè)備存在問題時(shí)，EL測(cè)試圖上會(huì)顯示網(wǎng)袋?。▓D6）。采用頂針式或斜坡式的網(wǎng)袋則可有效消除網(wǎng)袋問題，圖7是頂針式燒結(jié)爐里出來(lái)的電池，圖中的黑點(diǎn)就是頂針的位置。
2.5 黑心片
圖8就是我們一般所說的“黑心”片的EL測(cè)試圖。在圖中我們可以清晰的看到漩渦缺陷，它們是點(diǎn)缺陷的聚集，產(chǎn)生于硅棒生長(zhǎng)時(shí)期。此種材料缺陷勢(shì)必導(dǎo)致硅的少數(shù)載流子濃度降低，降低該區(qū)域的發(fā)光強(qiáng)度。
圖8 黑心片EL測(cè)試圖
2.6 電池片混擋
一塊組件的EL測(cè)試圖中有部分電池片發(fā)光強(qiáng)度較弱（圖9），由于這些電池片的電流或電壓分檔與該組件中大部分電池片不一致造成的。
圖9 混擋EL測(cè)試圖
2.7 電池片電阻不均勻
EL測(cè)試電池表面發(fā)光強(qiáng)度不均勻(圖10)，這是由于電阻不均勻引起的, 較暗區(qū)域一般串聯(lián)電阻較大。這種缺陷能反應(yīng)少子壽命的分布情況，缺陷部位少子躍遷機(jī)率降低，故電致發(fā)光圖片上顯現(xiàn)為暗色。
圖10 電池電阻不均勻EL測(cè)試圖
3 結(jié)論
電致發(fā)光（Electroluminescence ,EL）的檢測(cè)方法，利用電致發(fā)光原理對(duì)晶硅太陽(yáng)電池及組件做了近紅外成像測(cè)試，通過EL測(cè)試圖迅速地檢測(cè)出了太陽(yáng)電池及組件中可能存在的缺陷，是一種有效的檢測(cè)電池、組件的方法。EL測(cè)試在太陽(yáng)電池及組件質(zhì)量分析和控制發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉恩科, 朱秉生, 羅晉生等. 半導(dǎo)體物理學(xué)[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社，1998:286
[2] 鄭建邦，任駒，郭文閣等. 太陽(yáng)電池內(nèi)部電阻對(duì)其輸出特性影響的仿真[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2006,27(2):121-125
近年來(lái)隨著光伏行業(yè)的迅猛發(fā)展，光伏組件質(zhì)量控制環(huán)節(jié)中測(cè)試手段的不斷增強(qiáng)，原來(lái)的外觀和電性能測(cè)試已遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足行業(yè)的需求。目前一種可以測(cè)試晶體硅太陽(yáng)電池及組件潛在缺陷的方法為行業(yè)內(nèi)廣泛采用，即EL測(cè)試。EL是英文electroluminescence的簡(jiǎn)稱，譯為電致發(fā)光或場(chǎng)致發(fā)光。目前EL測(cè)試技術(shù)已被很多晶體硅太陽(yáng)電池及組件廠家應(yīng)用，用于產(chǎn)品的成品檢驗(yàn)和在線產(chǎn)品質(zhì)量控制。
1. EL測(cè)試的原理
在太陽(yáng)電池中，少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于勢(shì)壘寬度，因此電子和空穴通過勢(shì)壘區(qū)時(shí)因復(fù)合而消失的幾率很小，繼續(xù)向擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散。在正向偏置電壓下，p-n結(jié)勢(shì)壘區(qū)和擴(kuò)散區(qū)注入了少數(shù)載流子，這些非平衡少數(shù)載流子不斷與多數(shù)載流子復(fù)合而發(fā)光，這就是太陽(yáng)電池電致發(fā)光的基本原理[1]。發(fā)光成像有效地利用了太陽(yáng)電池間帶中激發(fā)電子載流子的輻射復(fù)合效應(yīng)。在太陽(yáng)能電池兩端加入正向偏壓, 其發(fā)出的光子可以被靈敏的CCD 相機(jī)獲得, 即得到太陽(yáng)電池的輻射復(fù)合分布圖像。但是電致發(fā)光強(qiáng)度非常低, 而且波長(zhǎng)在近紅外區(qū)域，要求相機(jī)必須在900-1100nm 具有很高的靈敏度和非常小的噪聲。
EL測(cè)試的過程如圖1所示，晶體硅太陽(yáng)電池外加正向偏置電壓，直流電源向晶體硅太陽(yáng)電池注入大量非平衡載流子，太陽(yáng)電池依靠從擴(kuò)散區(qū)注入的的大量非平衡載流子不斷地復(fù)合發(fā)光，放出光子，也就是光伏效應(yīng)的逆過程；再利用CCD相機(jī)捕捉到這些光子，通過計(jì)算機(jī)進(jìn)行處理后以圖像的形式顯示出來(lái)，整個(gè)過程都在暗室中進(jìn)行。
EL測(cè)試的圖像亮度正比于電池片的少子壽命（或少子擴(kuò)散長(zhǎng)度）與電流密度，太陽(yáng)電池中有缺陷的地方，少子擴(kuò)散長(zhǎng)度較低，所以顯示出來(lái)的圖像亮度較暗。通過EL測(cè)試圖像的分析可以有效的發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)電池及組件的缺陷，包括硅材料缺陷、擴(kuò)散缺陷、印刷缺陷、燒結(jié)缺陷以及組件封裝過程中的裂紋等。
圖1 EL測(cè)試原理圖
2. EL測(cè)試常見缺陷及分析
2.1 破片
組件中的破片多出現(xiàn)在焊接和層壓工序，EL測(cè)試圖如圖2所示。
圖2 破片EL測(cè)試圖
2.2 隱裂
太陽(yáng)能電池所采用的硅材料脆度較大，因此在電池片生產(chǎn)和組件封裝過程中很容易產(chǎn)生裂片。裂片分兩種一種是顯裂，一種是隱裂。顯裂是肉眼可直接看到，在制作組件之前就可以剔除；而隱裂則不行，并且在組件制作過程中更容易產(chǎn)生碎片等問題。
通過EL測(cè)試圖就可以觀測(cè)到，如圖3所示，由于單晶硅（100）面的解離面是（111），因此單晶電池的隱裂一般沿著硅片的對(duì)角線方向的“X”裝圖形。但是由于多晶硅片存在晶界的影響有時(shí)很難區(qū)分晶界與隱裂，見圖4區(qū)域。
圖3 單晶隱裂EL測(cè)試圖
圖4 多晶隱裂EL測(cè)試圖
2.3 斷柵
斷柵主要是由與電池片本身柵線印刷不良和焊接過程造成的。從EL測(cè)試圖中可以看出顯示為黑線狀，這是因?yàn)樵跂啪€斷掉后，從主柵線上注入的電流在斷柵附近電流密度很小甚至沒有，從而導(dǎo)致EL發(fā)光強(qiáng)度下降或不發(fā)光。
圖5 斷柵EL測(cè)試圖
2.4 燒結(jié)缺陷
一般而言，燒結(jié)參數(shù)沒有優(yōu)化或設(shè)備存在問題時(shí)，EL測(cè)試圖上會(huì)顯示網(wǎng)袋?。▓D6）。采用頂針式或斜坡式的網(wǎng)袋則可有效消除網(wǎng)袋問題，圖7是頂針式燒結(jié)爐里出來(lái)的電池，圖中的黑點(diǎn)就是頂針的位置。
2.5 黑心片
圖8就是我們一般所說的“黑心”片的EL測(cè)試圖。在圖中我們可以清晰的看到漩渦缺陷，它們是點(diǎn)缺陷的聚集，產(chǎn)生于硅棒生長(zhǎng)時(shí)期。此種材料缺陷勢(shì)必導(dǎo)致硅的少數(shù)載流子濃度降低，降低該區(qū)域的發(fā)光強(qiáng)度。
圖8 黑心片EL測(cè)試圖
2.6 電池片混擋
一塊組件的EL測(cè)試圖中有部分電池片發(fā)光強(qiáng)度較弱（圖9），由于這些電池片的電流或電壓分檔與該組件中大部分電池片不一致造成的。
圖9 混擋EL測(cè)試圖
2.7 電池片電阻不均勻
EL測(cè)試電池表面發(fā)光強(qiáng)度不均勻(圖10)，這是由于電阻不均勻引起的, 較暗區(qū)域一般串聯(lián)電阻較大。這種缺陷能反應(yīng)少子壽命的分布情況，缺陷部位少子躍遷機(jī)率降低，故電致發(fā)光圖片上顯現(xiàn)為暗色。
圖10 電池電阻不均勻EL測(cè)試圖
3 結(jié)論
電致發(fā)光（Electroluminescence ,EL）的檢測(cè)方法，利用電致發(fā)光原理對(duì)晶硅太陽(yáng)電池及組件做了近紅外成像測(cè)試，通過EL測(cè)試圖迅速地檢測(cè)出了太陽(yáng)電池及組件中可能存在的缺陷，是一種有效的檢測(cè)電池、組件的方法。EL測(cè)試在太陽(yáng)電池及組件質(zhì)量分析和控制發(fā)揮越來(lái)越重要的作用。
參考文獻(xiàn)
[1] 劉恩科, 朱秉生, 羅晉生等. 半導(dǎo)體物理學(xué)[M]. 西安: 西安交通大學(xué)出版社，1998:286
[2] 鄭建邦，任駒，郭文閣等. 太陽(yáng)電池內(nèi)部電阻對(duì)其輸出特性影響的仿真[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào),2006,27(2):121-125
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