光致發(fā)光（PL）檢測(cè)技術(shù)在太陽電池生產(chǎn)過程中的應(yīng)用

上海太陽能工程技術(shù)研究中心有限公司 曾 光 薛永勝 劉小宇

1 背景

太陽電池的質(zhì)量直接決定了光伏發(fā)電系統(tǒng)的效率及使用壽命。

近年來，光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅猛，光伏生產(chǎn)企業(yè)遍地開花。有限的市場(chǎng)需求造成了企業(yè)之間競(jìng)爭(zhēng)激烈，提高效率和降低成本成為整個(gè)行業(yè)的共同目標(biāo)。

在晶體硅太陽電池的薄片化發(fā)展過程中，出現(xiàn)了許多嚴(yán)重的質(zhì)量問題，如碎片、電池片隱裂、表面污染、電極不良等，正是這些缺陷限制了電池的光電轉(zhuǎn)化效率和使用壽命。同時(shí)，由于沒有完善的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，硅片原材料質(zhì)量也是參差不齊，一些缺陷片的存在直接影響到組件乃至光伏系統(tǒng)的穩(wěn)定性。因此，太陽能行業(yè)需要有快速有效和準(zhǔn)確的定位檢驗(yàn)方法來檢驗(yàn)生產(chǎn)環(huán)節(jié)可能出現(xiàn)的問題。

對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)來講，把好原材料質(zhì)量關(guān)、控制產(chǎn)品質(zhì)量、提高成品率、避免生產(chǎn)過程中的浪費(fèi)是降低生產(chǎn)成本、提高競(jìng)爭(zhēng)力的有效手段。

光致發(fā)光檢測(cè)技術(shù)可以在極短時(shí)間確定硅片缺陷狀況及其分布，非常適合應(yīng)用到硅片質(zhì)量控制、電池片生產(chǎn)工藝分析中。研發(fā)光致發(fā)光檢測(cè)設(shè)備，并應(yīng)用于晶體硅材料及生產(chǎn)過程中，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本具有非常重要的實(shí)際意義。

2 發(fā)展現(xiàn)狀

在物理材料研究領(lǐng)域，光致發(fā)光技術(shù)（P L）的應(yīng)用已有一定基礎(chǔ)，應(yīng)用于半導(dǎo)體材料進(jìn)行無損測(cè)量的光譜測(cè)定方法，能夠快速、無損的分析材料的結(jié)構(gòu)、成分與品質(zhì)。但其存在測(cè)試范圍小（微米級(jí)別），環(huán)境要求高（探測(cè)器需零下50℃制冷），在光伏晶體硅材料及太陽電池（均屬于大面積光伏器件）測(cè)試領(lǐng)域一直未能應(yīng)用。近幾年來，伴隨著激光技術(shù)和電子成像技術(shù)的發(fā)展，光致發(fā)光技術(shù)在光伏領(lǐng)域的測(cè)試有了突破性進(jìn)展。

國(guó)外在此領(lǐng)域的研究起步于2005年，現(xiàn)已掌握核心技術(shù)。未來將在此儀器的分析應(yīng)用上進(jìn)一步發(fā)展。光伏晶硅材料、太陽電池工藝過程片及成品檢測(cè)技術(shù)的專利擁有者是澳大利亞新南威爾士大學(xué)，該大學(xué)不僅掌握了核心技術(shù)，而且與BT Image公司合作進(jìn)入了實(shí)際應(yīng)用階段。

之前，受國(guó)外技術(shù)壟斷影響，國(guó)內(nèi)在光致發(fā)光設(shè)備領(lǐng)域基本空白，因此無法將此技術(shù)投入到應(yīng)用領(lǐng)域。隨著技術(shù)實(shí)力的增強(qiáng)，上海太陽能工程技術(shù)研究中心等企業(yè)在光致發(fā)光檢測(cè)設(shè)備的研發(fā)上有了重大的突破。國(guó)產(chǎn)PL檢測(cè)設(shè)備已經(jīng)面向市場(chǎng)，一些先行的電池片生產(chǎn)企業(yè)已經(jīng)率先將光致發(fā)光檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用到產(chǎn)品質(zhì)量控制中。

圖1 檢測(cè)原理示意圖

3 光致發(fā)光檢測(cè)技術(shù)概述

3.1 光致發(fā)光檢測(cè)原理：

光致發(fā)光的原理是利用光源激發(fā)硅片或太陽電池片，使硅片或硅太陽電池片發(fā)出特定波長(zhǎng)的光，然后通過濾光以及特殊感光元件采集特定波長(zhǎng)的發(fā)光信號(hào)，最后經(jīng)過數(shù)據(jù)處理得出太陽電池片表面的缺陷。可用于檢測(cè)硅片、電池過程片、電池片的隱裂、碎片、材料缺陷、結(jié)晶缺陷、硅片污染等缺陷（參見圖1）。

3.2 技術(shù)特點(diǎn)：

作為一種新型的檢測(cè)手段，光致發(fā)光檢測(cè)技術(shù)有許多領(lǐng)先的技術(shù)特點(diǎn)：

○測(cè)試速度快：0.2秒/片，可在線式全檢設(shè)計(jì)；

○非接觸式：無需探針等機(jī)械接觸；

○適用范圍廣：硅碇、硅片、電池過程片、電池片；

○檢測(cè)缺陷種類多：隱裂、碎片、材料缺陷、結(jié)晶缺陷、金屬污染；

這些特點(diǎn)是其受到太陽電池檢測(cè)行業(yè)青睞的根本原因。

3.3 技術(shù)優(yōu)勢(shì)：

目前，太陽電池生產(chǎn)行業(yè)較為主流的缺陷檢測(cè)手段為電致發(fā)光（EL）檢測(cè)，其檢測(cè)速度較慢，只能進(jìn)行樣品抽檢，碎片率高，很難滿足在線全檢的需要。相比于EL檢測(cè)，光致發(fā)光（PL）有著無法比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，詳見表1。

4 應(yīng)用范圍

光致發(fā)光檢測(cè)技術(shù)可以在極短時(shí)間確定硅片缺陷狀況及其分布，非常適用于硅片質(zhì)量控制、電池片生產(chǎn)工藝分析中。研發(fā)光致發(fā)光檢測(cè)設(shè)備，并應(yīng)用于晶體硅材料及生產(chǎn)過程中，對(duì)提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低生產(chǎn)成本具有非常重要的實(shí)際意義。

表1 EL與PL技術(shù)對(duì)比

4.1 硅片原材料缺陷檢測(cè)

由于硅片存在隱裂、表面污染等缺陷，在硅片交易過程中，缺少可靠的儀器和手段對(duì)貨物進(jìn)行質(zhì)量檢測(cè)，就會(huì)使這些缺陷硅片流入生產(chǎn)線，對(duì)產(chǎn)品的平均效率產(chǎn)生巨大的影響。電池片生產(chǎn)線的生產(chǎn)節(jié)拍快，普通的檢測(cè)方法不能夠?qū)^程片進(jìn)行全檢，只能對(duì)成品電池片進(jìn)行功率的分選，致使企業(yè)被動(dòng)的接受而無法減少和避免原材料及工藝缺陷帶來的損失。

硅片原材料缺陷檢測(cè)為硅片缺陷檢測(cè)提供有效的測(cè)試手段，有助于規(guī)范硅片交易市場(chǎng)，提升太陽電池原材料輸入質(zhì)量水平。

現(xiàn)行硅片來料檢測(cè)僅局限于幾何尺寸、方塊電阻的檢測(cè)，雖然能夠?qū)崿F(xiàn)全檢，但不能檢測(cè)出硅片內(nèi)部缺陷的分布以及程度。這些內(nèi)部缺陷是現(xiàn)行技術(shù)無法檢測(cè)出來的，少子壽命測(cè)試儀雖然能夠間接地通過少子壽命推算出缺陷程度，但只能測(cè)試幾個(gè)代表點(diǎn)，如中心和四個(gè)角，不能反映硅片整體的缺陷信息，如果要對(duì)硅片進(jìn)行全面的缺陷掃描，測(cè)試時(shí)間需要5-10分鐘，不能滿足生產(chǎn)需求。

光致發(fā)光檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了硅片缺陷全檢，可以快速地反映硅片整體缺陷信息，如隱裂、漩渦、邊角發(fā)黑、位錯(cuò)等。

光致發(fā)光檢測(cè)技術(shù)在硅片原材料缺陷檢測(cè)中廣泛應(yīng)用，勢(shì)必會(huì)為硅片交易市場(chǎng)帶來一場(chǎng)變革，有效的約束了硅片的質(zhì)量，進(jìn)而有助于硅片市場(chǎng)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的形成。

4.2 電池片生產(chǎn)過程質(zhì)量控制

光致發(fā)光檢測(cè)儀器為太陽電池工藝過程片分析提供有效分析手段，有助于關(guān)鍵工藝質(zhì)量控制和工藝改進(jìn)，同時(shí)也為在線式缺陷控制提供技術(shù)可行性。可檢測(cè)的工藝涵蓋了清洗、制絨、擴(kuò)散、PECVD、刻蝕、絲網(wǎng)印刷、燒結(jié)、分檔等各個(gè)環(huán)節(jié)。

光致發(fā)光檢測(cè)儀器為缺陷定量分析提供技術(shù)基礎(chǔ)。光致發(fā)光技術(shù)可以定量分析晶硅少子壽命，直觀的表現(xiàn)出不同類型的缺陷對(duì)少子壽命的影響，通過光致發(fā)光檢測(cè)設(shè)備，研究P L圖譜與少子壽命、擴(kuò)散長(zhǎng)度、旁路節(jié)電阻、串聯(lián)電阻等參數(shù)之間的關(guān)系，對(duì)缺陷類型及分布對(duì)電池片效率造成的影響進(jìn)行分析，可以建立一個(gè)缺陷量化分析的科學(xué)依據(jù)。對(duì)進(jìn)一步改進(jìn)電池片生產(chǎn)工藝、提高電池片效率具有指導(dǎo)意義。

光致發(fā)光檢測(cè)設(shè)備在電池片生產(chǎn)制備過程中的應(yīng)用，有利于光伏技術(shù)科學(xué)研究的跳躍式發(fā)展。

4.3 科研應(yīng)用前景

隨著此光致發(fā)光檢測(cè)技術(shù)的不斷推廣，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究機(jī)構(gòu)將重點(diǎn)關(guān)注其在科研領(lǐng)域的應(yīng)用。此技術(shù)可應(yīng)用于進(jìn)行材料提純、摻雜濃度、雜質(zhì)能級(jí)分布、雜質(zhì)能級(jí)激發(fā)復(fù)合機(jī)理方面的研究。為新型材料的開發(fā)和制備提供檢測(cè)依據(jù)。

5 小結(jié)

光致發(fā)光檢測(cè)技術(shù)作為一種新型的快速無損檢測(cè)手段，可以廣泛地應(yīng)用到太陽電池硅材料檢測(cè)以及太陽電池生產(chǎn)制備過程中的質(zhì)量控制與新產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域。該技術(shù)在國(guó)內(nèi)獲得突破后，已經(jīng)有部分企業(yè)將其納入了生產(chǎn)工藝的重要一環(huán)，并大大提高了其產(chǎn)品的效率和壽命。隨著該技術(shù)的更廣泛應(yīng)用，將有利于硅片質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的制訂以及光伏技術(shù)科學(xué)研究的跳躍式發(fā)展。