晶體硅太陽電池及組件EL測試介紹

【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的方法，檢測出了晶體硅太陽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，并簡要分析了造成這些缺陷的原因。

【關(guān)鍵詞】太陽電池；電致發(fā)光；電池缺陷

近年來隨著光伏行業(yè)的迅猛發(fā)展，光伏組件質(zhì)量控制環(huán)節(jié)中測試手段的不斷增強，原來的外觀和電性能測試已經(jīng)遠遠不能滿足行業(yè)的需求。目前一種可以測試晶體硅太陽電池及組件潛在缺陷的方法為行業(yè)內(nèi)廣泛采用，即EL測試。EL是英文electroluminescence的簡稱，譯為電致發(fā)光或場致發(fā)光。目前EL測試技術(shù)已經(jīng)被很多晶體硅太陽電池及組件生產(chǎn)廠家應(yīng)用，用于晶體硅太陽電池及組件的成品檢驗或在線產(chǎn)品質(zhì)量控制。

1.EL測試的原理

在太陽電池中，少子的擴散長度遠遠大于勢壘寬度，因此電子和空穴通過勢壘區(qū)時因復(fù)合而消失的幾率很小，繼續(xù)向擴散區(qū)擴散。在正向偏置電壓下，p-n結(jié)勢壘區(qū)和擴散區(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 相機獲得， 即得到太陽電池的輻射復(fù)合分布圖像。但是電致發(fā)光強度非常低， 而且波長在近紅外區(qū)域，要求相機必須在900-1100nm 具有很高的靈敏度和非常小的噪聲。

EL測試的過程即晶體硅太陽電池外加正向偏置電壓，直流電源向晶體硅太陽電池注入大量非平衡載流子，太陽電池依靠從擴散區(qū)注入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相機捕捉到這些光子，通過計算機進行處理后以圖像的形式顯示出來，整個過程都在暗室中進行。

EL測試的圖像亮度與電池片的少子壽命（或少子擴散長度）和電流密度成正比，太陽電池中有缺陷的地方，少子擴散長度較低，從而顯示出來的圖像亮度較暗。通過EL測試圖像的分析可以清晰的發(fā)現(xiàn)太陽電池及組件存在的隱性缺陷，這些缺陷包括硅材料缺陷、擴散缺陷、印刷缺陷、燒結(jié)缺陷以及組件封裝過程中的裂紋等。

2.EL測試常見缺陷及分析

2.1破片

組件中的破片多出現(xiàn)在組件封裝過程的焊接和層壓工序，在EL測試圖中表現(xiàn)為電池片中有黑塊，因為電池片破裂后在電池片破裂部分沒有電流注入，從而導(dǎo)致該部分在EL測試中不發(fā)光。

2.2隱裂

晶體硅太陽電池所采用的硅材料本身易碎，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，另一種是隱裂。顯裂是肉眼可以直接看到的，在組件生產(chǎn)過程中的分選工序就可以剔除；而隱裂是肉眼無法直接看到的，并且在組件的制作過程中更容易產(chǎn)生破片等問題。由于單晶硅的解離面具有一定的規(guī)則，通過EL測試圖可以清晰地看到單晶硅電池片的隱裂紋一般是沿著電池片對角線方向的“X”狀圖形；多晶硅電池片由于晶界的影響有時很難區(qū)分是多晶硅的晶界還是電池片中的隱裂紋。

2.3斷柵

電池片的斷柵主要是由于電池片本身柵線印刷不良或電池片不規(guī)范焊接造成的。從EL測試圖中表現(xiàn)為沿電池片主柵線的暗線，這是因為電池片的副柵線斷掉后，EL測試過程中從電池片主柵線上注入的電流在斷柵附近處的電流密度很小甚至沒有，從而導(dǎo)致電池片的斷柵處在發(fā)光強度較弱或不發(fā)光。

2.4燒結(jié)缺陷

在電池片生產(chǎn)過程中，燒結(jié)工序工藝參數(shù)不佳或燒結(jié)設(shè)備存在缺陷時，生產(chǎn)出來的電池片在EL測試過程中會顯示為大面積的履帶印。實際生產(chǎn)中通過有針對性的工裝改造就可以有效的消除履帶印的問題。例如采用頂針式履帶生產(chǎn)出來的電池片在EL測試圖只能看到若干個黑點而沒有大面積的履帶印。

2.5黑芯片

黑芯片在EL測試圖中我們可以清晰的看到從電池片中心到邊緣逐漸變亮的同心圓，它們產(chǎn)生于硅材料生產(chǎn)階段，與硅棒制作過程中氧的溶解度和分凝系數(shù)大有關(guān)。此種材料缺陷勢必導(dǎo)致晶體硅電池片的少數(shù)載流子濃度降低，從而導(dǎo)致電池片中有此類缺陷的部分在EL測試過程中表現(xiàn)為發(fā)光強度較弱或不發(fā)光。

2.6電池片混擋

一塊組件的EL測試圖中有部分電池片發(fā)光強度與該組件中的大部分電池片相比較弱，這是由于這部分電池片的電流或電壓分檔與該組件中大部分電池片的電流或電壓分檔不一致造成的。

2.7電池片電阻不均勻

EL測試單個電池片表面發(fā)光強度不均勻，這是由于電池片電阻不均勻造成的， 較暗區(qū)域一般串聯(lián)電阻較大。這種缺陷也能反應(yīng)電池片少子壽命的分布狀況，缺陷部位少子躍遷機率降低，在EL測試過程中表現(xiàn)為發(fā)光強度較弱。

3.結(jié)論

電致發(fā)光（Electroluminescence，EL）的檢測方法，利用電致發(fā)光的原理對晶體硅太陽電池及組件做了近紅外成像測試，通過EL測試圖迅速地檢測出了太陽電池及組件中可能存在的缺陷，是一種有效的檢測電池、組件的方法。EL測試在太陽電池及組件質(zhì)量分析和質(zhì)量控制中發(fā)揮越來越重要的作用。 [科]

【參考文獻】

［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.太陽電池內(nèi)部電阻對其輸出特性影響的仿真[J].太陽能學(xué)報，2006，27(2):121-125.