電致發光技術在非晶硅組件量產中的應用

浙江正泰太陽能科技公司 ■ 周長友 呂建黨 朱鑫

0 引言

電致發光(EL)成像技術普遍應用于晶硅電池工業化生產中的缺陷檢測，利用紅外檢測方法，通過CCD采集圖像可以檢測出晶體硅電池中存在的隱性缺陷，如隱裂、斷柵、虛焊、電阻不均勻等。由于這些缺陷的存在嚴重影響了太陽電池的轉化效率和使用壽命，帶來的直接經濟損失數額巨大，因此，快速解決檢測問題，有效的檢測手段十分必要[1]。

現在EL普遍在晶體硅電池生產線上應用，并形成了一套檢測標準、工作流程等。由于非晶硅電池的生產工藝與晶體硅電池完全不同，鮮有文獻報道EL用于非晶硅電池缺陷的檢測和在產線上應用。本文利用EL設備對非晶硅電池進行檢測，有效檢測電池中存在的各類缺陷，進一步研究缺陷對電池功率、FF等各項電學參數的影響，指出EL技術在晶體硅與非晶硅電池檢測中的差別，以及如何進行非晶硅電池EL測試的優化，并指導在產線上的應用。

1 電致發光原理

電致發光(Electroluminescent)，簡稱EL。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時因復合而消失的幾率很小，繼續向擴散區擴散；在正向偏壓下，p-n結勢壘區和擴散區注入了少數載流子；這些非平衡少數載流子不斷與多數載流子復合而發光，這就是太陽電池電致發光的基本原理[2]。利用近紅外成像系統將太陽電池發射的光成像，并經過計算機軟件處理后將太陽電池的EL圖像顯示在屏幕上。太陽電池EL測試原理圖如圖1所示，電致發光的波長范圍在800～1300 nm，峰值為1150 nm，屬于紅外光，硅電池EL光譜[3]如圖2所示。

太陽電池的電致發光亮度正比于少子擴散長度，正比于電流密度[3-5]。通過EL圖像的分析可有效地發現硅片、電池片和組件生產各個環節可能存在的問題，對改進工藝、提高效率和穩定生產都有重要的作用，因而太陽組件缺陷測試儀太陽電池電致發光測試儀被認為是太陽電池生產線的“X-ray”。現在EL普遍在晶體硅電池生產線上應用，并形成了一套檢測標準、工作流程等，國內鮮有報道EL在非晶硅生產線上的應用。

圖2 硅電池EL光譜[3]

2 非晶硅組件EL實驗

實驗樣品為非晶硅CHSM5011T組件(Pmax=140 W、Voc=170 V、Isc=1.25 A)和 CHSM5031T 組 件(Pmax=140 W、Voc=70 V、Isc=2.8 A)，均在某公司140萬像素雙相機EL設備上進行測試。

實驗中，使用直流穩壓電源對太陽能組件施加正向偏壓及恒流供電，在室溫25℃的暗室里拍攝紅外圖像。為減少噪聲，控制增益大小，清晰的圖像除與電流密度有關外，還與曝光時間有關。

圖3為5011T組件在不同電流與不同時間組合的EL圖像清晰度示意圖，清晰圖像的電流與時間之積可看做一個變量，如虛線所示。電流大和時間長易造成圖像曝光過度，同時電池內部發熱，溫度增大，而溫度對EL檢測有一定影響，電池片內部的缺陷對溫度比較敏感[6]。非晶硅組件流水線生產，需選擇合適的時間以提高效率。

圖3 不同電流與時間的非晶硅組件EL圖像

對于太陽電池EL測試，一般晶體硅電池EL電流密度為40 mA/cm2，即輸入6～8 A恒流、1倍Isc、電壓約45 V。但非晶硅薄膜組件EL測試在實際操作中通1倍Isc未得到清晰的圖像。根據經驗值，5011T組件通3 A電流，5031T組件通5 A電流，均為2倍Isc，電流密度達到20 mA/cm2、電壓約200 V。晶硅EL曝光時間為4 s，而非晶硅宜選擇15 s。同一電流與時間測得的3塊組件，由于組件內部電池膜層的電阻率分布不一致，不同組件明暗有一定差別，即便同一塊組件也有明暗分布。

非晶硅薄膜組件EL圖像中，常有暗斑呈現，如圖4所示。當暗斑呈現為一個點黑，則有可能與生產車間的灰塵、激光劃線產生的碎屑有關；另外，當組件在戶外暴曬被遮擋時，由于熱斑造成內部p-n結損傷，再經EL檢測也會產生暗斑。圖4a中，經過嚴格管控組件在層壓過程中的灰塵潔凈度，后續生產的組件在測試中基本消除類似暗斑。

當暗斑旁伴隨有亮點產生，表現為一段線黑，這是漏電的典型特征，一般與激光劃線有關。有的EL圖像中大面積黑斑即面黑，則與膜面破損有關，如圖4c，此時應盡力減少生產過程中人為造成的膜面損傷，以及控制膜面在空氣中暴露的時間。

另有一類暗斑在組件邊緣，如圖5a、5b所示，特征為由外向里滲透。這主要是由于層壓不良導致濕氣從玻璃間滲透進入，此類暗斑在濕熱DH實驗中常常出現。如圖5c所示，當用手電照射經過1000 h DH實驗后的組件邊緣時，可清晰看到白條紋。

經過統計分析，正常的組件暗斑量很少，可忽略不計，對組件的性能不會產生影響；但當暗斑數量眾多時，組件性能受到影響；特別是多種因素造成組件暗斑形成片狀，組件的輸出功率會大幅下降，以至于組件成為次品或報廢品。如圖4和表1所示，表1中組件1為正常組件數據，組件2和組件3因漏電和膜面破損，FF、效率、P、Voc、Isc、Rsh均有下降，而Rs在增大。漏電與膜面破損促使串聯電阻增大、并聯電阻減小影響太陽電池的正向伏安特性，各項參數下降明顯，這與文獻[6]的仿真結果相符。

圖4 非晶硅組件EL圖像中的暗斑

圖5 因濕熱滲透形成的邊緣暗區

表1 與圖4相應的組件參數

在非晶硅EL檢測中，暗斑的性質判定及量化仍需大量樣本深入研究。

圖6為EL在串并結構的薄膜組件5031T中的應用。圖6a為正常組件EL圖像，圖6b因內部焊帶部分未接觸原因，1/3電池面全黑，僅有正常組件2/3的功率。此類組件經過EL圖像檢測后，通過修復可使組件恢復正常。

圖6 串并結構的非晶硅組件EL圖像

在基于Matlab對EL圖像的暗斑統計工作中，因圖像為兩相機采集數據的圖片拼接而成，造成圖像拼接處錯位且較暗淡，在去噪、中值濾波、canny算子邊緣檢測中，常常因拼接附近的暗區淹沒暗斑，給處理上帶來很多不便。后采用830萬像素單相機拍攝的EL如圖7所示，不僅可消除中間的線，而且圖像更清晰，方便暗斑統計。一般市場上提供140萬、610萬、830萬等多種像素的紅外相機，用戶可根據不同的需要配置，而非晶硅宜采用高像素紅外相機。

圖7 不同像素EL圖像細節對比

3 EL測試在組件生產中應用

EL檢測設備在組件生產線上應用有較多的研究文獻[7-8]，通過成像檢驗產品的質量，對次品進行挑選和修復；然而在非晶硅薄膜組件產線上尚未應用，相關技術不成熟。晶體硅EL測試與非晶硅薄膜組件EL測試的主要差別在于：

1)晶體硅組件由36片或60片等電池片串聯組成，而非晶硅薄膜組件是由鍍膜后激光刻線劃開的很多節(128或159節等不同規格)條狀小電池串聯或串并聯組成；

2)晶體硅組件EL圖像看到清晰的主柵線和副柵線，而非晶硅薄膜電池EL圖像看到激光刻線，生產工藝的不同決定了前者關注柵線的生產質量，后者關注激光刻線的質量；

圖8 幾種晶體硅EL圖像

3)晶體硅組件EL圖像可看到電池片的隱裂、斷柵、花片等癥狀，而非晶硅組件無這些癥狀；

4)兩者均可看出因電阻不均或漏電等造成的明暗差異和暗斑黑區。

通過上述圖像分析及與晶體硅EL測試特點的對比，非晶硅EL檢測有其獨特的特點。

非晶硅組件EL圖片暗斑可能因鍍膜均勻性、激光刻線、電池膜面損壞、TCO腐蝕等多種原因引起，其中激光刻線工藝質量決定電池片之間串聯和漏電，而漏電可通過相應儀器shunt repair進行修復，因此兩者可在產線上聯合使用。非晶硅組件層壓封裝前，可在流水線上自動化測試。由于非晶硅組件EL時發出的光比晶硅組件微弱，檢測需使用像素更高的紅外相機，單相機拍出的EL圖像可消除雙相機相片拼接帶來的影響，有利于后期軟件智能化識別缺陷。

通過傳送帶以及接觸電極、線路開關設計和電氣自動化控制，非晶硅組件在封裝前可在生產流水線上自動化檢測，如圖9所示。鑒于EL的檢測作用，非晶硅EL檢測設備適宜安裝在生產線末端、薄膜組件膜面激光刻蝕之后、組件封裝之前。在產線上，EL作為一種檢測手段，可對鍍膜、電池節漏電等起到監控作用，也可與其他設備(如太陽能模擬器、shunt repair等)聯合應用進行生產質量檢測，以達到提高組件性能的目的。

圖9 非晶硅組件在線檢測示意圖

4 總結

本文對EL在非晶硅電池、組件中的缺陷檢測進行了研究。指出相對于晶體硅電池組件EL缺陷檢測，非晶硅電池EL缺陷檢測有其特殊性：測試電流密度小、測試時間長，直流穩壓電源輸出電壓高；需高像素的紅外相機以達到圖像清晰、細節分明的效果。在產線上，EL設備可對薄膜組件自動化測試，并結合其他相關設備有利于提高組件質量、性能。

[1] 肖嬌, 徐林, 曹建明,等.缺陷太陽電池EL圖像及伏安特性分析[J].現代科學儀器, 2010，(5): 105－108.

[2] 劉恩科, 朱秉生, 羅晉生,等.半導體物理學[M].西安: 西安交通大學出版社, 1998.

[3] 王超, 蔣曉瑜, 柳效輝.基于電致發光成像理論的硅太陽電池缺陷檢測[J].光電子·激光, 2011, 22(9): 1332－1337.

[4] Wurfel P, Trupke T, Puzzer T, et al.Diffusion lengths of silicon solar cells from luminescence images[J].Journal of Applied Physics, 2007, 101(12): 123110.

[5] Fuyuki,kondo H,Yamazaki T,et al.Photographic surveying of minority carrier diffusion length in polycrystalline silicon solar cells by electroluminescence[J].Applied Physics Letters, 2005, 86:(26): 262108－262108－3.

[6]鄭建邦, 任駒, 郭文閣, 等.太陽電池內部電阻對其輸出特性影響的仿真[J].太陽能學報, 2006, 27(2): 121－125.

[7] 王楠.太陽能電池板破損在線檢測系統的研究[D].保定:河北農業大學, 2011.

[8] 楊暢民, 張豪, 黃國鋒.電致發光成像在晶體硅電池和組件質量監測中的應用[J].中國建設動態: 陽光能源，2009，(6): 42－43.