晶體硅組件電致光（EL）檢測(cè)應(yīng)用及缺陷分析

摘 要：面對(duì)日益嚴(yán)重的生態(tài)環(huán)境和傳統(tǒng)能源短缺等危機(jī)，光伏組件制造行業(yè)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)試已經(jīng)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，文章基于電致發(fā)光（Electroluminescence）的理論，介紹利用近紅外檢測(cè)方法，可以檢測(cè)出晶體硅太陽(yáng)電池及組件中常見(jiàn)的隱性缺陷。主要包括：隱裂、黑心片、花片、斷柵、短路等組件缺陷，同時(shí)結(jié)合組件測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)的缺陷對(duì)造成的原因加以分析總結(jié)。

關(guān)鍵詞：太陽(yáng)能電池；組件；電致發(fā)光；缺陷分析；檢測(cè)

1 概述

隨著社會(huì)對(duì)綠色清潔能源的需求量急劇飆升，我國(guó)的組件生產(chǎn)量將進(jìn)一步擴(kuò)大，2010年中國(guó)太陽(yáng)能電池產(chǎn)量達(dá)10673MW，占世界總額的44.7%，位居世界前列。缺陷檢測(cè)是太陽(yáng)能電池組件生產(chǎn)制備過(guò)程中的核心步驟，因硅電池單元一般采用硅棒切割生產(chǎn)，在生產(chǎn)過(guò)程中容易受到損傷，產(chǎn)生虛焊、隱裂、斷柵等問(wèn)題，這些問(wèn)題對(duì)電池的轉(zhuǎn)換效率和使用壽命有著嚴(yán)重的影響，嚴(yán)重時(shí)將危害組件甚至光伏發(fā)電系統(tǒng)的穩(wěn)定性[1]。為了提高組件的效率及合格率，并能夠針對(duì)各生產(chǎn)環(huán)節(jié)中產(chǎn)生的缺陷情況及時(shí)調(diào)整維護(hù)生產(chǎn)設(shè)備，需配備大量的在線缺陷檢測(cè)設(shè)備。電致發(fā)光（EL）檢測(cè)由于其質(zhì)量高、成本低、且能快速、準(zhǔn)確識(shí)別出組件電池單元常見(jiàn)缺陷等特點(diǎn)，在組件封裝生產(chǎn)環(huán)節(jié)中得到了廣泛應(yīng)用，該檢測(cè)應(yīng)用對(duì)整個(gè)光伏產(chǎn)業(yè)具有深刻意義和重大價(jià)值[1]。

2 電致發(fā)光（EL）測(cè)試原理

在太陽(yáng)能電池中，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(guò)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[2]。

太陽(yáng)能電池電致發(fā)光（Electroluminescence）測(cè)試，又稱場(chǎng)致發(fā)光測(cè)試，簡(jiǎn)稱EL測(cè)試。其原理是，通過(guò)對(duì)晶體硅太陽(yáng)能電池外加正向偏壓，模擬實(shí)際使用中太陽(yáng)光照射在電池組件上產(chǎn)生的等效直流電流，給單片電池片通入1-40mA的正向電流，電源便向電池注入大量非平衡載流子，作用于擴(kuò)散結(jié)兩邊，電能把處于基態(tài)的原子進(jìn)行激發(fā)，使其處于激發(fā)態(tài)，由于處于激發(fā)態(tài)的原子不穩(wěn)定，進(jìn)行自發(fā)輻射，這樣，電致發(fā)光依靠從擴(kuò)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，通過(guò)濾波片的作用及底片的曝光程度來(lái)了解在自發(fā)輻射中本征躍遷的情況，利用CCD相機(jī)捕捉到這些光子，利用少子壽命、密度與光強(qiáng)間的關(guān)系，即太陽(yáng)能電池的電致發(fā)光亮度正比于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度，正比于電流密度，再通過(guò)計(jì)算機(jī)處理后顯示出來(lái)[3]，如圖1所示[4]。這樣，從底片的曝光程度就可以判斷硅片中是否存在缺陷。

由于本征硅的帶隙約為1.12eV，可以計(jì)算出晶體硅太陽(yáng)能電池的帶間直接輻射符合的EL光伏的峰值應(yīng)該在1150mm附近，所以EL測(cè)試的光屬于近紅外光（NIR）。這些光線只有在不受外光（即太陽(yáng)能、可見(jiàn)光、紅外線、紫外線等）干擾下才能被紅外光學(xué)相機(jī)捕捉到，這就要求整個(gè)組件發(fā)光只有在暗箱狀態(tài)下才能被相機(jī)捕捉，因而，整個(gè)EL測(cè)試過(guò)程是在一個(gè)不會(huì)被外光干擾的暗箱中進(jìn)行的[5]，只有這樣可以準(zhǔn)確地判別電池片或組件是否存在缺陷，否則將會(huì)對(duì)產(chǎn)品的性能產(chǎn)生重大影響。

3 晶體硅組件缺陷分類及常見(jiàn)缺陷分析

在日常來(lái)料檢驗(yàn)過(guò)程中，通過(guò)對(duì)電池組件的EL測(cè)試，能夠合理有效控制由于工藝參數(shù)設(shè)置不當(dāng)和人為因素引起的組件不良缺陷。大多數(shù)組件缺陷都是由于電池片及組件的生產(chǎn)工藝不合理及人為等外在因素造成的。晶體硅組件缺陷主要包括：隱裂（裂紋）、破片、黑心片、黑團(tuán)片、黑斑片、履帶片、斷線、穿孔、邊緣過(guò)刻、主柵線漏電、副柵線漏電、境界漏電、燒結(jié)缺陷、短路黑片、非短路黑片、網(wǎng)格片、過(guò)焊片、明暗片、局部斷路片、位錯(cuò)、層錯(cuò)、虛焊或過(guò)焊等多種，下面列舉晶體硅組件四種常見(jiàn)缺陷，分別從EL成像特點(diǎn)、原因形成等方面進(jìn)行缺陷分析。

3.1 隱裂（裂紋片、破片）

（1）產(chǎn)生原因：電池片在生產(chǎn)制造過(guò)程中，由于在焊接或搬運(yùn)過(guò)程中受到外力作用造成；電池片在低溫下沒(méi)有經(jīng)過(guò)預(yù)熱在短時(shí)間內(nèi)突然受到高溫后出現(xiàn)膨脹造成隱裂現(xiàn)象。（2）成像特點(diǎn)：由于單晶硅的解離面具有一定的規(guī)則，通過(guò)EL成像圖可以清晰地看到單晶硅電池片的隱裂紋呈現(xiàn)“x”狀圖形；多晶硅電池片由于晶界的影響有時(shí)很難區(qū)分是多晶硅的晶界還是電池片中的隱裂紋。裂紋片的成像特點(diǎn)是裂紋在EL測(cè)試下產(chǎn)生明顯的明暗差異的紋路（黑線）。如圖2、3所示。（3）組件影響：組件隱裂后，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)造成組件功率衰減；經(jīng)過(guò)一段時(shí)間積累后，組件會(huì)出現(xiàn)熱斑現(xiàn)象，直接造成組件損壞。

3.2 黑心片（黑團(tuán)片）

（1）產(chǎn)生原因：在直拉硅棒生產(chǎn)過(guò)程中，晶體定向凝固時(shí)間縮短，熔體潛熱釋放與熱場(chǎng)溫度梯度失配，晶體生長(zhǎng)速率加快，過(guò)大的熱應(yīng)力導(dǎo)致硅片內(nèi)部位錯(cuò)缺陷。（2）成像特點(diǎn)：黑芯或黑團(tuán)片在EL成像圖中可以清晰的看到從電池片中心到邊緣逐漸變亮的同心圓，從而導(dǎo)致缺陷的部分在EL測(cè)試過(guò)程中表現(xiàn)為發(fā)光強(qiáng)度較弱或不發(fā)光。從而形成復(fù)合密集區(qū)，在通電情況下電池片中心一圈呈現(xiàn)黑色區(qū)域。如圖4、5所示。（3）組件影響：組件出現(xiàn)此缺陷后，長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，會(huì)造成熱擊穿；在使用組件測(cè)試儀測(cè)試組件IV測(cè)試特性曲線時(shí)，測(cè)試曲線呈現(xiàn)臺(tái)階形狀；同時(shí)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行會(huì)導(dǎo)致組件功率下降。

3.3 短路黑片（非短路黑片）

（1）產(chǎn)生原因：組件單串焊接過(guò)程中造成的短路；組件層壓前，混入了低效電池片造成；硅片使用上錯(cuò)用N型片，無(wú)PN結(jié)，故EL成像為全黑；（2）成像特點(diǎn)：組件某個(gè)位置出現(xiàn)1塊或多塊電池片呈現(xiàn)全黑現(xiàn)象；（3）組件影響：會(huì)造成組件IV測(cè)試曲線呈現(xiàn)臺(tái)階，組件功率和填充因子都會(huì)受到較大影響。使被短路的電池片不能對(duì)外提供功率，整塊組件輸出功率降低，IV測(cè)試曲線最大功率下降。如圖6、7所示。

3.4 斷柵

（1）產(chǎn)生原因：電池片本身柵線印刷不良或電池片不規(guī)范焊接；絲網(wǎng)印刷參數(shù)設(shè)置不當(dāng)或絲網(wǎng)印刷質(zhì)量不過(guò)關(guān)；硅片切割不均勻，可能出現(xiàn)斷層現(xiàn)象；（2）成像特點(diǎn)：EL成像圖中電池片的斷柵處發(fā)光強(qiáng)度較弱或不發(fā)光；（3）組件影響：組件短路電流、并聯(lián)電阻、填充因子及效率均下降，而串聯(lián)電阻增大，開(kāi)路電壓影響較小。如圖8、9所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)以上組件EL成像缺陷分析，可以看出太陽(yáng)能電池電致發(fā)光（Electroluminescence）測(cè)試在短時(shí)間內(nèi)就能確定太陽(yáng)能電池及組件缺陷情況及其分布，通過(guò)EL成像可以快速準(zhǔn)確測(cè)出太陽(yáng)能電池及組件可能存在隱裂、破片、斷柵、黑芯片、黑團(tuán)片、短路黑片等缺陷情況。通過(guò)對(duì)各自EL成像特點(diǎn)和影響分析，缺陷可以造成組件串聯(lián)電阻增大、并聯(lián)電阻減小、輸出功率降低及光電轉(zhuǎn)換率下降等不良問(wèn)題。同時(shí)通過(guò)分析EL成像，也有助于完善和改進(jìn)太陽(yáng)能電池組件生產(chǎn)工藝，控制產(chǎn)品質(zhì)量、提高組件成品率、避免生產(chǎn)過(guò)程中的浪費(fèi)，對(duì)太陽(yáng)能電池組件生產(chǎn)和檢測(cè)有著重要的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1]竇爭(zhēng)寶.基于EL圖像的太陽(yáng)能電池組件缺陷在線檢測(cè)研究[D].杭州：浙江理工大學(xué)，2013.

[2]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.

[3]肖嬌，徐林.太陽(yáng)電池缺陷EL檢測(cè)及電性能分析[J].上海計(jì)量測(cè)試，2011（3）：15-18.

[4]Y. Takahashi， Y. Kaji， A. Ogane，Y. Uraoka and T. Fuyuki，“-Luminoscopy- Novel Tool for theDiagnosis of Crystalline Silicon solar cells and Modules UtilizingElectroluminescence”[J].IEEE，2006：924-927.

[5]李娜，張志根，武耀忠，等.隱裂電池片在標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試后的變化及分析[J].陽(yáng)光能源，2011（3）：69-71.

作者簡(jiǎn)介：王盛強(qiáng)（1978-），男，漢族，遼寧丹東人，本科，工程師，供用電技術(shù)專業(yè)，主要從事光伏系統(tǒng)集成及光伏產(chǎn)品質(zhì)量管理工作。