物理學(xué)原理在光伏硅產(chǎn)品檢測(cè)中的應(yīng)用

摘 要：根據(jù)檢測(cè)對(duì)象、檢測(cè)性能參數(shù)以及檢測(cè)方法的不同，對(duì)光伏硅產(chǎn)品的檢測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行了分類(lèi)和介紹。從力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)以及電磁學(xué)等幾個(gè)方面，對(duì)物理學(xué)原理的應(yīng)用進(jìn)行了舉例說(shuō)明。明確了物理學(xué)在光伏硅產(chǎn)品檢測(cè)中的作用，必備物理學(xué)知識(shí)的掌握，有助于加深檢測(cè)原理的理解、提升檢測(cè)技能水平，也有望為光伏檢測(cè)相關(guān)專(zhuān)業(yè)的人才培養(yǎng)提供思路和幫助。

關(guān)鍵詞：物理學(xué);光伏;硅產(chǎn)品;檢測(cè);應(yīng)用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.22.049

物理學(xué)是研究物質(zhì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)的學(xué)科，其在電子信息、機(jī)械加工、工程技術(shù)以及分析測(cè)量等各領(lǐng)域和各學(xué)科中，都有著十分廣泛和重要的應(yīng)用。光伏硅產(chǎn)品檢測(cè)指單（多）晶硅原輔料、硅片、太陽(yáng)電池片、光伏組件以及光伏發(fā)電系統(tǒng)的檢測(cè)與分析，是保障光伏產(chǎn)品質(zhì)量的重要手段、是相關(guān)應(yīng)用技術(shù)人員所要掌握的重要技能，它要求檢測(cè)人員熟悉檢測(cè)原理，并能將物理、化學(xué)等知識(shí)靈活應(yīng)用于檢測(cè)實(shí)踐。而物理學(xué)原理的應(yīng)用貫穿于整個(gè)光伏硅產(chǎn)品產(chǎn)業(yè)鏈，起著至關(guān)重要的作用。所以，熟悉所需物理知識(shí)并掌握物理學(xué)原理在其中的應(yīng)用，一方面，可加強(qiáng)檢測(cè)原理的深入理解，為學(xué)生檢測(cè)技能水平的提高創(chuàng)造條件;另一方面，可幫助教師根據(jù)專(zhuān)業(yè)需求設(shè)計(jì)教學(xué)重點(diǎn)，從而提高人才培養(yǎng)的實(shí)用性和有效性。

1 光伏硅產(chǎn)品檢測(cè)類(lèi)型及項(xiàng)目

根據(jù)檢測(cè)對(duì)象的不同，光伏硅產(chǎn)品的檢測(cè)可以劃分為：晶硅原輔料檢測(cè)、硅錠（棒）的檢測(cè)、硅片的檢測(cè)、晶硅電池片的檢測(cè)、光伏組件的檢測(cè)以及光伏發(fā)電系統(tǒng)的檢測(cè)[1]。也可根據(jù)檢測(cè)的性能參數(shù)分為：光伏硅產(chǎn)品的外觀檢測(cè)、機(jī)械強(qiáng)度檢測(cè)、電學(xué)參數(shù)檢測(cè)以及光學(xué)性能檢測(cè)[2]。另外，根據(jù)檢測(cè)的方式方法的不同，又可分為生產(chǎn)線上的自動(dòng)分選檢測(cè)與人工檢測(cè)。晶硅原輔料雜質(zhì)的檢測(cè)項(xiàng)目主要包括：三氯氫硅中痕量雜質(zhì)檢測(cè)、工業(yè)硅中鐵、鋁的檢測(cè)以及三氯氫硅（四氯化硅）中硼的檢測(cè)。晶硅原輔料水分的檢測(cè)項(xiàng)目主要包括：氯化氫中水分的檢測(cè)和液氯中水分的檢測(cè)。硅錠（棒）雜質(zhì)的檢測(cè)項(xiàng)目主要有：多晶硅中基硼、基磷的檢測(cè)以及晶體硅中基碳、氧的檢測(cè)。硅錠（棒）電學(xué)性能檢測(cè)項(xiàng)目主要有：導(dǎo)電類(lèi)型的檢測(cè)、少子壽命的檢測(cè)以及電阻率的檢測(cè)。硅錠（棒）晶體類(lèi)型檢測(cè)項(xiàng)目主要包括：?jiǎn)尉Ч瓒ㄏ虻臋z測(cè)和單晶硅中缺陷的檢測(cè)。硅片外觀檢測(cè)項(xiàng)目主要有：硅片直徑的檢測(cè)、硅片彎曲度與翹曲度的檢測(cè)及硅片厚度與總厚度的檢測(cè)。硅片表面質(zhì)量檢測(cè)項(xiàng)目主要有：硅片平整度的檢測(cè)和硅拋光片表面質(zhì)量的檢測(cè)。晶硅電池片外觀檢測(cè)項(xiàng)目主要有：尺寸檢測(cè)、缺陷檢測(cè)以及彎曲度檢測(cè)。晶硅電池片電學(xué)參數(shù)的檢測(cè)項(xiàng)目主要有：電池片I-V特性檢測(cè)、電池漏電缺陷檢測(cè)、接觸電阻、開(kāi)路電壓與短路電流分布的檢測(cè)。晶硅電池片光學(xué)檢測(cè)項(xiàng)目主要有：太陽(yáng)電池光致（電致）發(fā)光檢測(cè)、電池片厚度及折射率檢測(cè)、電池片表面反射率的檢測(cè)。光伏組件材料檢測(cè)項(xiàng)目主要包括：面板玻璃的檢測(cè)、背板的檢測(cè)、EVA膠膜的檢測(cè)以及涂錫焊帶的檢測(cè)。光伏組件電學(xué)性能的檢測(cè)項(xiàng)目主要有：光伏組件I-V檢測(cè)、PID檢測(cè)以及絕緣性檢測(cè)。光伏組件機(jī)械強(qiáng)度檢測(cè)項(xiàng)目主要有：引出端強(qiáng)度檢測(cè)、冰雹撞擊檢測(cè)以及機(jī)械載荷檢測(cè)。光伏組件抗老化檢測(cè)項(xiàng)目主要有：室外曝露檢測(cè)、紫外線檢測(cè)、熱斑耐久檢測(cè)以及熱循環(huán)檢測(cè)。光伏發(fā)電系統(tǒng)安全檢測(cè)項(xiàng)目有：外觀的檢測(cè)、防雷與接地的檢測(cè)。光伏發(fā)電系統(tǒng)電學(xué)性能檢測(cè)項(xiàng)目主要包括：逆變器的檢測(cè)、電能質(zhì)量的檢測(cè)以及蓄電池與充放電的檢測(cè)。

2 光伏硅產(chǎn)品檢測(cè)中的物理學(xué)原理

光伏硅產(chǎn)品檢測(cè)中的物理學(xué)知識(shí)主要包括：力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)以及電磁學(xué)。物理實(shí)驗(yàn)方法中蘊(yùn)含的思想可以提升思維能力，給思考過(guò)程帶來(lái)靈感和創(chuàng)意[3]，還能促進(jìn)工藝改善、推動(dòng)技術(shù)革新，進(jìn)而為培養(yǎng)創(chuàng)新型高端技術(shù)人才奠定基礎(chǔ)。根據(jù)光伏產(chǎn)業(yè)檢測(cè)崗位的職業(yè)規(guī)范以及光伏產(chǎn)品的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)就一些主要檢測(cè)項(xiàng)目的物理學(xué)應(yīng)用進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹：

2.1 力學(xué)應(yīng)用

力學(xué)原理在光伏硅產(chǎn)品檢測(cè)中的應(yīng)用，主要指通過(guò)物質(zhì)之間的相互作用，測(cè)量受力下的形變，或是根據(jù)受力物體的運(yùn)動(dòng)規(guī)律判斷其性能及質(zhì)量。在晶硅電池及光伏組件的原材料檢測(cè)中較為常見(jiàn)，如硅太陽(yáng)電池漿料附著力檢測(cè)：主要針對(duì)燒結(jié)后形成的鋁硅合金，應(yīng)用拉力計(jì)，采用拉開(kāi)法檢測(cè)鋁漿與電池硅基體之間的附著力;鋼化玻璃的鋼化強(qiáng)度檢測(cè)：采用鋼球在距離玻璃1～1.2m處自由下落，撞擊后檢查玻璃是否破碎;光伏組件的背板層粘接強(qiáng)度檢測(cè)：要求劃開(kāi)夾層，一邊夾緊，另一邊用拉力計(jì)測(cè)試粘接拉力，一般要求拉力大于20N為合格;光伏組件機(jī)械強(qiáng)度以及最大承壓檢測(cè)：根據(jù)IEC61215-2005測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，采用直徑25mm±5%、質(zhì)量為7.53g±5%的冰球以23m/s的速度撞擊，測(cè)試是否產(chǎn)生嚴(yán)重缺陷，并檢測(cè)最大輸出功率的衰減情況;接線盒連接器抗拉力檢測(cè)：接線盒與連接器連接，固定接線盒，用拉力器測(cè)量能承受的拉力，一般大于10N為合格;組件機(jī)械載荷及冰雹撞擊檢測(cè)：主要通過(guò)模擬自然環(huán)境中積雪的承受、冰雹載荷情況，采用一定動(dòng)量的冰雹從不同角度撞擊組件，檢測(cè)其外觀缺陷及電性能的衰減情況。

2.2 熱學(xué)應(yīng)用

熱學(xué)原理在光伏硅產(chǎn)品檢測(cè)中的應(yīng)用，主要是利用溫度或能量的差異，檢測(cè)與熱力學(xué)性質(zhì)相關(guān)的性能參數(shù)并對(duì)其分析和判斷。如冷熱探筆法測(cè)單晶硅的導(dǎo)電類(lèi)型：在待測(cè)樣品上壓上兩根金屬探筆，一根通過(guò)電阻絲加熱（40～60℃）作為熱探筆，在兩接觸點(diǎn)上產(chǎn)生溫度差，根據(jù)塞貝克效應(yīng)，就會(huì)在檢流計(jì)回路中形成一定方向的溫差電流，以此判斷晶硅的導(dǎo)電類(lèi)型;晶硅電池漏電檢測(cè)：根據(jù)斯蒂芬-玻爾茲曼定律：P=εσT4（P-單位面積輻射功率，σ-物體表面的發(fā)射率，ε-斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)），如果硅太陽(yáng)電池以某種形式注入能量，電池內(nèi)部就會(huì)形成溫度場(chǎng)分布，缺陷部位的溫度與周?chē)纬刹町悾╇妳^(qū)域產(chǎn)生的熱量會(huì)向周?chē)鷶U(kuò)散，形成溫度梯度分布，由紅外熱像儀接收紅外輻射，形成熱像圖;組件熱循環(huán)檢測(cè)：在自動(dòng)控溫的氣候室內(nèi)，組件在40～80℃之間進(jìn)行循環(huán)測(cè)試，并在極端溫度下保持一定時(shí)間，檢測(cè)組件短路、電性能衰減、絕緣電阻等情況，以此判斷組件由于外部溫度變化引起的熱應(yīng)變能力。

2.3 光學(xué)應(yīng)用

光學(xué)原理的應(yīng)用，在光伏硅產(chǎn)品的檢測(cè)中十分重要，特別在單晶硅料、硅片的檢測(cè)中較為常見(jiàn)，主要通過(guò)光波與物質(zhì)間的作用，產(chǎn)生激發(fā)、發(fā)射現(xiàn)象，根據(jù)光波的反射和衍射，利用接收到的紅外光譜、可見(jiàn)光光譜或X射線衍射光譜，對(duì)檢測(cè)對(duì)象進(jìn)行分析和判斷。如單晶硅定向檢測(cè)：主要包括光圖定向檢測(cè)和X射線定向兩種方法，都應(yīng)用到了光學(xué)原理，在光圖定向檢測(cè)過(guò)程中，當(dāng)平行光入射到硅單晶腐蝕坑時(shí)，會(huì)被密排平面反射到不同的方向，反射光會(huì)在光屏上顯示晶體的光象，根據(jù)光象的對(duì)稱(chēng)性以及光圖中心的偏離角，確定晶體的生長(zhǎng)方向;單色X射線定向檢測(cè)：是利用單色X射線照射到待測(cè)晶體上，使其在某晶面產(chǎn)生衍射，改變晶體位置，使該晶面放置位置相對(duì)入射的X射線滿足布拉格方程：nλ=2dsinθ（λ-X射線波長(zhǎng)，d-晶面間距，n-衍射線級(jí)數(shù)，θ-入射光和反射平面的夾角），不同結(jié)構(gòu)的晶體和不同晶面其衍射線方位不同，根據(jù)衍射線的方位來(lái)確定晶體的取向;晶體硅中碳氧雜質(zhì)的紅外光譜檢測(cè)：分子中原子鍵的振動(dòng)頻率與紅外光某一頻率相同時(shí)，分子就會(huì)吸收此頻率的光發(fā)生振動(dòng)能級(jí)躍遷，產(chǎn)生紅外吸收光譜，氧在硅中主要有三個(gè)紅外吸收峰：硅氧鍵的對(duì)稱(chēng)伸張振動(dòng)（1205cm-1）、硅氧鍵的扭曲振動(dòng)（515cm-1）和硅氧鍵的反對(duì)稱(chēng)伸張振動(dòng)（1105cm-1），碳主要有兩個(gè)紅外吸收峰：607.2cm-1和1217cm-1，利用紅外吸收光譜對(duì)晶體硅中的碳氧雜質(zhì)進(jìn)行定性及定量分析;光學(xué)投影法對(duì)硅片直徑的檢測(cè)：利用光學(xué)投影儀放大待測(cè)試樣圖像，通過(guò)調(diào)節(jié)使硅片邊緣輪廓清晰地顯示在顯示屏上，利用螺旋測(cè)微計(jì)讀數(shù)測(cè)量;掠入射干涉法對(duì)硅片平整度的測(cè)量：硅片待測(cè)表面盡可能平行地靠近干涉儀基準(zhǔn)平面（25～50μm），單色光源平面波受待測(cè)平面和基準(zhǔn)平面的反射，形成干涉條紋，分析干涉條紋可度量待測(cè)平面的平整度（TIR），TIR=dM（TIR-硅片平整度，d-干涉儀靈敏度，M-測(cè)量時(shí)干涉條紋總數(shù)目）;金相顯微鏡法觀測(cè)位錯(cuò)密度：利用金相顯微鏡對(duì)位錯(cuò)腐蝕坑進(jìn)行放大觀察，近似計(jì)算硅晶體中的位錯(cuò)密度大小，顯微鏡的放大倍數(shù)M=M物×M目，M物=△/f（△-光學(xué)鏡筒長(zhǎng)度，f-物鏡焦距）;硅太陽(yáng)電池光致發(fā)光（PL）檢測(cè)，使用激光或LED光源照射硅片表面，在內(nèi)部產(chǎn)生非平衡載流子，一部分激發(fā)的電子與空穴復(fù)合，多余能量以光子釋放，通過(guò)CCD攝像頭接收發(fā)光光譜形成2D圖像，從而對(duì)硅太陽(yáng)電池少子壽命以及晶體缺陷進(jìn)行分析判斷。

2.4 電磁學(xué)應(yīng)用

電磁學(xué)原理的應(yīng)用在光伏硅產(chǎn)品檢測(cè)過(guò)程中，扮演著重要的角色，因?yàn)楣夥a(chǎn)品的性能指標(biāo)和質(zhì)量參數(shù)多以電磁學(xué)參數(shù)表現(xiàn)，例如：晶硅太陽(yáng)電池的短路電流Isc、開(kāi)路電壓Voc、填充因子FF、轉(zhuǎn)換效率η等。另外，在晶硅的電阻率檢測(cè)、硅片的厚度測(cè)試中也都應(yīng)用到了電磁學(xué)原理。如四探針?lè)ü鑶尉щ娮杪实臋z測(cè)：應(yīng)用四根等距的探針壓在樣品的平整平面上，給外面兩根探針通以恒流電流，然后應(yīng)用電位差計(jì)檢測(cè)中間兩根探針間的電壓，根據(jù)公式：ρ=CV/I（ρ-樣品電阻率，C-探針系數(shù)，V-中間兩探針間的電壓，I-流過(guò)外面兩探針的電流），計(jì)算樣品的電阻率;直流光電導(dǎo)衰退法檢測(cè)少子壽命：待測(cè)樣品在光脈沖照射下，產(chǎn)生非平衡少數(shù)載流子，引起樣品的電導(dǎo)率及電壓的變化，用示波器記錄光照停止后，待測(cè)樣品兩端電壓或電阻隨時(shí)間的變化，得到非平衡載流子濃度隨時(shí)間變化的衰減曲線，再由此衰減曲線得到單晶材料的少子壽命;靜電電容法測(cè)量硅片的厚度：將待測(cè)硅片置于高頻電場(chǎng)中，電容傳感器的電容極板與硅片的表面構(gòu)成一個(gè)電容器，這個(gè)電容器的電容與傳感器中標(biāo)準(zhǔn)電容的偏差，與交流信號(hào)的頻率及振幅成比例關(guān)系，通過(guò)一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)線性電路求出電流的變化量，再通過(guò)電流的變化量求出硅片的電容量，進(jìn)一步得到待測(cè)硅片的厚度。

3 結(jié)語(yǔ)

物理學(xué)原理在光伏硅產(chǎn)品檢測(cè)中，發(fā)揮著極其重要的作用，其貫穿于整個(gè)光伏晶硅產(chǎn)業(yè)鏈。力、熱、光以及電磁學(xué)的應(yīng)用，是硅產(chǎn)品檢測(cè)和光伏產(chǎn)品檢測(cè)的重要方法和手段，只有充分掌握檢測(cè)過(guò)程中所涉及的物理學(xué)知識(shí)，深入理解物理檢測(cè)原理，并在實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中靈活運(yùn)用，才能有望開(kāi)拓創(chuàng)新。物理學(xué)作為基礎(chǔ)科學(xué)，是掌握高等技能的理論基礎(chǔ)，熟悉并掌握物理學(xué)原理的應(yīng)用，才能滿足社會(huì)發(fā)展以及科技進(jìn)步的需要。

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作者簡(jiǎn)介：馬祿彬（1982-），男，山東菏澤人，碩士，講師，研究方向：凝聚態(tài)物理、職業(yè)教育。