全自動(dòng)光伏組件缺陷測(cè)試設(shè)備的設(shè)計(jì)

何紀(jì)發(fā)，賴其濤

(紹興宏邦電子科技有限公司，浙江紹興 312000)

目前超過90%的工業(yè)化太陽(yáng)能電池組件采用絲網(wǎng)印刷、高溫?zé)Y(jié)、互聯(lián)、層壓封裝等生產(chǎn)工藝。絲網(wǎng)印刷的機(jī)械應(yīng)力、高溫?zé)Y(jié)的熱應(yīng)力、焊接的熱應(yīng)力、層壓封裝的機(jī)械應(yīng)力等都會(huì)造成組件的工藝缺陷。據(jù)估計(jì)，每條組件生產(chǎn)線每年由于缺陷帶來(lái)的直接經(jīng)濟(jì)損失約為60萬(wàn)美元。因此，有效的缺陷檢測(cè)手段和設(shè)備對(duì)提高工藝質(zhì)量非常重要。

太陽(yáng)能電池組件隱陷測(cè)試是用于監(jiān)測(cè)和研究太陽(yáng)能電池生產(chǎn)過程中各種缺陷的專用測(cè)試儀器。太陽(yáng)電池的電致發(fā)光亮度正比于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度，因此太陽(yáng)電池電致發(fā)光圖像直觀地展現(xiàn)出了太陽(yáng)電池?cái)U(kuò)散長(zhǎng)度的分布特征。通過對(duì)圖像的分析，我們可以有效地發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)能電池組件在絲網(wǎng)印刷、高溫?zé)Y(jié)、互聯(lián)層壓及搬運(yùn)等各個(gè)環(huán)節(jié)可能存在的問題。這對(duì)改進(jìn)工藝、提高效率和穩(wěn)定生產(chǎn)都有重要的作用，因而太陽(yáng)電池電致發(fā)光檢測(cè)儀被認(rèn)為是太陽(yáng)電池生產(chǎn)線的“眼睛”。本文介紹的測(cè)試儀可測(cè)量隱裂片、破片（明裂片）、暗片（混檔片）、黑芯片、斷柵、短路、過刻、污染、低效片、正負(fù)極接反等缺陷。

1 電致發(fā)光原理

同半導(dǎo)體中的電子可以吸收一定能量光子而被激發(fā)一樣，處于激發(fā)態(tài)的電子也可以向較低的能級(jí)躍遷，以光子輻射的形式釋放出能量。即電子可從高能級(jí)向低能級(jí)躍遷，并伴隨著發(fā)射光子的現(xiàn)象。太陽(yáng)電池本質(zhì)上是以半導(dǎo)體為基底材料制成的大面積p 一11 結(jié)，在其處于平衡狀態(tài)時(shí)，內(nèi)部存在一定的勢(shì)壘區(qū)。如加正向偏壓，勢(shì)壘便降低，勢(shì)壘區(qū)內(nèi)建電場(chǎng)也相應(yīng)減弱。這樣原來(lái)的載流子平衡被打破，繼而發(fā)生載流子的擴(kuò)散，即電子由n 區(qū)注入p 區(qū)，同時(shí)空穴由p 區(qū)注入到I"1 區(qū)。這些進(jìn)入p 區(qū)的電子和進(jìn)入g 區(qū)的空穴都是非平衡少數(shù)載流子，遇到原區(qū)域的多數(shù)載流子會(huì)復(fù)合發(fā)光。這就是半導(dǎo)體電致發(fā)光(EL)現(xiàn)象，又稱場(chǎng)致發(fā)光。

在太陽(yáng)電池中，少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度一般遠(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)囚復(fù)合而消失的幾率很小，它們絕大部分都繼續(xù)向擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散。因此在正向偏壓下，p-n 結(jié)勢(shì)壘區(qū)和擴(kuò)散區(qū)被注入了少數(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)合發(fā)出光子。

2 測(cè)試設(shè)備的結(jié)構(gòu)及測(cè)試流程

測(cè)試設(shè)備由全封閉的暗室、自動(dòng)傳輸機(jī)構(gòu)、自動(dòng)定位探針臺(tái)、高分辨率紅外相機(jī)、電源系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)圖像處理單元機(jī)人機(jī)交互單元組成，具體結(jié)構(gòu)見圖1。

測(cè)試流程：開始→軟件初始化→開啟傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)料→自動(dòng)探針臺(tái)定位→開恒流恒壓源→EL測(cè)試→測(cè)試完畢→自動(dòng)分檔→放下探針→開啟傳動(dòng)機(jī)構(gòu)出料。

3 幾種典型的組件缺陷分析

圖1 測(cè)試設(shè)備的結(jié)構(gòu)圖

在生產(chǎn)過程中，太陽(yáng)電池組件需歷經(jīng)電池檢測(cè)、正面焊接、背面串接、敷設(shè)、層壓、去毛邊、裝框、焊接線盒、組件測(cè)試等關(guān)鍵工藝。在此過程中產(chǎn)生了種種影響組件發(fā)電效率、使用壽命及可靠性的缺陷，下面一一給出檢測(cè)效果并做簡(jiǎn)單分析。

3.1 單晶和多晶隱裂片

隱裂缺陷主要由組件層壓和固化工藝過程引起，焊錫、串聯(lián)等工藝及硅片的彎曲和扭曲都會(huì)造成電池片的裂紋（見圖2、圖3）。

圖2 單晶隱裂片

圖3 多晶隱裂片

單晶隱裂片的特點(diǎn)：（1）裂紋多為直線狀；（2）多從倒角、崩邊、V型缺角處開始。

多晶隱裂片的特點(diǎn)：（1）裂紋多為葉脈交織狀；（2）起始位置不確定，但多從重點(diǎn)受力處開始。

3.2 破片

破片缺陷主要由于搬運(yùn)、層壓及測(cè)試燈環(huán)節(jié)引起的硅片破裂，破裂導(dǎo)致電池組件功率直接損失甚至報(bào)廢（見圖4、圖5）。

圖4 單晶破片

圖5 多晶破片

破片的特點(diǎn)：電池片有肉眼可視裂紋。

3.3 暗片

暗片缺陷降低組件整體功率，I-V曲線有臺(tái)階可能導(dǎo)致熱板效應(yīng)，造成熱擊穿影響組件（系統(tǒng)）安全（見圖6）。

圖6 暗片缺陷

暗片的特點(diǎn)：組件EL 圖像中有明顯的明暗亮度。

3.4 斷柵

斷柵缺陷可能是絲網(wǎng)印刷參數(shù)沒調(diào)好或絲網(wǎng)印刷質(zhì)量不佳，也可能是硅片切割不均勻，在30 μm 尺度可能出現(xiàn)斷層現(xiàn)象（見圖7）。

圖7 斷柵

斷柵的特點(diǎn)：電池細(xì)柵線處有條帶狀暗黑色條紋。

3.5 短路

短路缺陷可能是在焊錫、串聯(lián)過程中由于工藝問題導(dǎo)致正負(fù)極直接相連，也可能是在層壓等環(huán)節(jié)帶入的雜物導(dǎo)致正負(fù)極相連（見圖8）。

圖8 短路

短路缺陷電池片的特點(diǎn)：整片發(fā)黑。

3.6 污染

污染缺陷可能是太陽(yáng)能電池組件在生產(chǎn)過程中由于工藝問題或者是工藝夾具問題導(dǎo)致太陽(yáng)能電池片產(chǎn)生污染（見圖9）。

圖9 污染

污染缺陷的特點(diǎn)：有整片的不規(guī)則黑色區(qū)域，與燒結(jié)缺陷比較類似，所以在實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)該加以區(qū)別。

4 設(shè)備技術(shù)參數(shù)

組件類型：多晶和單晶；

最大可測(cè)組件尺寸：2000 mm×1000 mm；

可測(cè)組件類型：隱裂、污染、燒結(jié)缺陷（波浪網(wǎng)紋）、材料缺陷、斷柵、低效；

曝光時(shí)間：0.1～25.5 s；

像素：1 000萬(wàn)；

系統(tǒng)最大測(cè)試速度：300 片/h。

電源：220 V(AC),10 A,單相，最大功率600 W

傳輸速度：11.5 m/s

環(huán)境(溫度和濕度) ：10～30℃，20%～70%

5 結(jié)論

利用電致發(fā)光原理對(duì)多晶硅太陽(yáng)電池片做了近紅外成像實(shí)驗(yàn)，并對(duì)各種缺陷的電池組件進(jìn)行了試驗(yàn)，歸納了各種缺陷的特點(diǎn)，驗(yàn)證了設(shè)備對(duì)各種缺陷的可識(shí)別性。并且本設(shè)備采用了全自動(dòng)傳輸和測(cè)試機(jī)構(gòu)，提高了測(cè)試效率。

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