半片PERC光伏組件中太陽電池切割面EL圖像發黑的研究

摘 要：與整片光伏組件相比，半片光伏組件具有更高的輸出功率和更優越的可靠性，但在對此類光伏組件進行電致發光（EL）檢測時發現，其頻繁出現太陽電池切割面EL圖像發黑的問題。首先對PERC太陽電池結構及燒結工藝原理、EL成像原理進行介紹；然后通過實驗對半片PERC光伏組件中太陽電池的背場和背電極搭接處的外觀、銀鋁接觸電阻和掃描電子顯微鏡（SEM）下的微觀結構進行分析研究，以推斷太陽電池切割面EL圖像發黑的原因；然后對該原因開展驗證實驗，并由此提出針對太陽電池背場和背電極搭接處接觸效果的改善措施，從而提升光伏組件的良率。研究結果表明：1）背場和背電極搭接處重疊位置存在明顯撕裂空隙是導致半片PERC光伏組件中太陽電池切割面EL圖像發黑的主要原因。銀、鋁經過高溫膨脹發生融合反應，由于反應過度導致合金化程度較高，而冷卻時銀、鋁的熱膨脹系數不同，在降溫時銀鋁漿會出現回縮現象，導致背場和背電極搭接處重疊位置撕裂，出現縫隙空洞，從而使銀鋁接觸效果變差，銀鋁接觸電阻數值嚴重偏大，電流傳輸異常，最終導致半片PERC太陽電池切割面的EL圖像發黑。2）通過控制PERC太陽電池燒結工藝中燒結區的燒結溫度峰值，可降低其背場和背電極搭接處的銀鋁接觸電阻，改善該位置的接觸效果，從而改善半片PERC太陽電池切割面EL圖像發黑的情況，最終可提升半片PERC光伏組件的良率。

關鍵詞：PERC光伏組件；半片技術；太陽電池切割面；背場和背電極搭接處；燒結溫度；銀鋁接觸；電致發光圖像發黑

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0 "引言

近年來，在國家政策引導及市場需求的雙輪驅動作用下，中國光伏產業快速發展，產業規模迅速擴大，且其產業鏈各環節的市場占有率多年位居全球首位，已成為全球重要的光伏大國。另外，中國提出了“二氧化碳排放力爭2030年前達到峰值，努力爭取2060年前實現碳中和”的目標，清晰描繪出了中國實現綠色低碳、高質量發展的藍圖，為中國光伏產業未來發展指明了方向。在技術創新、政策支持和市場需求等因素的影響下，光伏產業的發展前景廣闊。光伏組件作為光伏發電技術的重要設備之一，其品質受到越來越多的關注。因此，如何進一步提高生產線良率成為當前光伏組件生產面臨的重要問題。

半片光伏組件是采用激光切割技術將整片太陽電池對半切割，然后將切割后的太陽電池封裝成光伏組件；與整片光伏組件相比，半片光伏組件具有更高的輸出功率和更優越的可靠性。但在對此類光伏組件進行電致發光（EL）檢測時發現，其頻繁出現太陽電池切割面EL圖像發黑的問題。基于此，本文首先對PERC太陽電池結構及燒結工藝原理、EL成像原理進行介紹；然后通過實驗對半片PERC光伏組件中太陽電池的背場和背電極搭接處的外觀、銀鋁接觸電阻和掃描電子顯微鏡（SEM）下的微觀結構進行分析研究，以推斷太陽電池切割面EL圖像發黑的原因；然后對該原因開展驗證實驗，并由此提出改善太陽電池背場和背電極搭接處接觸效果的措施，從而提升半片PERC光伏組件的良率。

1 "PERC太陽電池結構及燒結工藝原理

PERC太陽電池的結構主要包括：前表面金屬電極、絨面、正面氮化硅減反射層、發射極、p型硅片、局部鋁背場、氧化鋁鈍化層、氮化硅覆蓋層、激光開槽、印刷背鋁層等部分[1]，其示意圖如圖1所示。

1）前表面金屬電極：位于PERC太陽電池的正面，由導電材料（例如：銀）制成。其下方覆蓋的正面氮化硅減反射層，有助于減少光的反射損失并增強光吸收；此外，絨面的“倒金字塔”陷光結構也起到了減少表面反射的作用。

2）發射極：精確構建在PERC太陽電池的前表面，p型摻雜層和n型摻雜層之間會形成p-n結，是太陽電池的核心部分，能夠促使電子-空穴對的生成。當光線照射到PERC太陽電池上時，這些電子-空穴對會被分離，從而產生電流。

3）印刷背鋁層：即“背場”，通常位于PERC太陽電池的背面，由鋁或銅等材料制成，用于傳輸和集成電子。

4）局部鋁背場：位于印刷背鋁層和硅片接觸處，主要作用是增強電子的傳輸效率并減少電子復合，從而提高PERC太陽電池的性能。同時，局部鋁背場與硅片的接觸方式從全面積的面接觸改為線接觸，降低了金屬電極與硅片接觸界面產生的復合損失。

在PERC太陽電池的制備流程中，最后需要經過燒結工序。燒結的動力學原理為：將燒結看作是原子從不穩定的高能位置遷移至自由能最低位置的過程，燒結時，原子由接觸到結合，自由表面的收縮、空隙的排除、晶體缺陷的消除等都會導致自由能降低，從而轉變為熱力學中更穩定的狀態，這是高溫下能燒結成密實結構的原因。

燒結工序采用的燒結爐共分為烘干區、預燒結區、燒結區、冷卻區4個區域。烘干區的作用是使漿料中的有機溶劑燃燒后揮發和水分迅速蒸發，半成品太陽電池經過烘干區時，會使其漿料里含有的大部分有機溶劑揮發。預燒結區的作用是充分均勻地預熱半成品太陽電池，使銀漿成分中的玻璃料熔化，初步腐蝕氮化硅層，包裹銀漿與硅開始接觸[2]。燒結區的作用是當半成品太陽電池經過該區域時，有機溶劑充分揮發后，金屬電極材料和硅片在高溫作用下達到共晶溫度，此時硅原子會進入處于熔融狀態的金屬電極材料中，形成銀硅、鋁硅共晶層，實現良好的歐姆接觸。冷卻區的作用是當半成品太陽電池經過該區域時，通過水冷和風冷使其均勻散熱，從而降低自身溫度，當溫度下降到一定范圍時，熔融狀態的玻璃料中過量的銀會析出形成銀顆粒，并嵌入硅片表面，在腐蝕坑處結晶，在硅片和金屬電極材料間形成外延層，即構成電流傳導途徑，且鋁漿同步與硅片形成共晶層[3]。

2 "EL成像原理

EL檢測是針對太陽電池或光伏組件內部缺陷的檢測，是太陽電池和光伏組件整個生產流程都需要進行的檢測之一，以確保最終產品的質量和性能可以達到標準。

EL成像原理是通過向太陽電池或光伏組件施加一定的正向電壓，其內部的材料會激發出光子，這些光子的強度和分布與太陽電池或光伏組件內部的結構和缺陷情況密切相關；再通過光子探測器接收到這些光子，經過光電子成像系統還原成明暗圖像。

光伏組件EL圖像的明暗關系可以反映出光伏組件內部的缺陷情況。EL圖像的亮度與太陽電池的少數載流子擴散長度和電流密度均成正比，在太陽電池存在缺陷的區域，少數載流子會與缺陷復合，導致少數載流子擴散長度較低，此時該缺陷區域的EL圖像亮度較暗；同理，當太陽電池內某個區域存在缺陷時，其電流密度會較小，該區域的EL圖像亮度也會較暗。光伏組件EL圖像中的亮度較暗區域代表其出現了太陽電池隱裂、電勢誘導衰減（PID）、二極管導通、硅材料缺陷、印刷不良缺陷、燒結異常缺陷、工藝中的污染等不良問題。

3 "實驗

3.1 "實驗器材

3.1.1 "輪廓儀

輪廓儀的工作原理是基于白光干涉技術，通過非接觸的方式測量物體表面的三維形貌。光源發出的光經過擴束準直后，通過分光棱鏡分成兩束，其中1束照射到被測物體表面，另1束照射到參考鏡；兩束反射光最終匯聚并發生干涉，顯微鏡將物體表面的形貌特征轉化為干涉條紋信號；通過測量干涉條紋的變化，可以得到物體表面的3D形貌。

輪廓儀的具體操作為：將輪廓儀放置在穩定的平臺上，并確保環境光線適中，接通電源并等待其預熱；按照說明書中的指導完成校準步驟，以確保測量結果的準確性?；然后將測試樣品放置在測量臺上，并調整位置和角度?；啟動輪廓儀，然后按下測量按鈕或使用相應的軟件命令開始測量過程，儀器會自動掃描測試樣品表面，記錄并處理數據?；測量完成后，將生成1個包含測試樣品形狀和輪廓信息的數字化模型。測量結果可通過顯示器、打印機或計算機軟件進行展示和分析?。

3.1.2 "爐溫測量儀

爐溫測量儀屬于高精度的溫度測量設備，其工作原理是基于熱電效應，當樣品的溫度發生改變時，其電阻值也會隨之變化，即通過測量電阻值來確定溫度的變化情況。本實驗采用美國ECD公司生產的爐溫測量儀進行燒結爐內的溫度測量。

3.1.3 "SEM

SEM是利用電子槍射出電子束，聚焦在樣品表面做光柵狀掃描的檢測方法，其通過探測電子作用于樣品表面時所產生的信號來觀察并分析樣品表面的組成成分、形態及微觀結構。最新的SEM的分辨率可達到1 nm，放大倍數可達到30萬倍及以上，具有連續可調性；還具有景深大，視野大，成像立體效果好的特點。

3.2 "實驗設計

實驗采用p型摻鎵單晶硅片，尺寸為182 mm×182 mm，厚度為150 μm，電阻率在0.4～1.1 Ω·m之間。將硅片制備成PERC太陽電池（型號為182SE），制備工藝流程均相同。其中，絲網印刷和燒結均使用蘇州邁為科技股份有限公司生產的設備。絲網印刷工藝的具體流程為：背電極銀漿絲網印刷→烘干→背場鋁漿絲網印刷→烘干→主柵銀漿絲網印刷→細柵銀漿絲網印刷→烘干。PERC太陽電池的背電極銀漿絲網印刷和背場鋁漿絲網印刷的局部工藝圖形如圖2 所示。

對PERC太陽電池進行切割，然后封裝制備成半片PERC光伏組件樣品，并對其進行EL檢測；然后從中挑選出1塊EL圖像正常的光伏組件和1塊EL圖像中太陽電池切割面發黑的光伏組件，根據EL圖像中太陽電池切割面發黑的位置找到對應的太陽電池（下文簡稱為“異常太陽電池”），以EL圖像正常的半片PERC光伏組件中的太陽電池（下文簡稱為“正常太陽電池”）作為對比參照，對二者進行相關測試，并根據測試結果分析太陽電池切割面EL圖像發黑的原因；最終通過實驗對分析得到的原因進行驗證。

4 "太陽電池切割面EL圖像發黑的原因分析

4.1 "太陽電池切割原理

半片PERC光伏組件中的太陽電池切割面EL圖像發黑情況如圖3所示。

切割面是對PERC太陽電池進行對半切割后產生的面，其并不是采用激光直接聚焦切割，而是采用無損切割工藝。無損切割工藝的基本原理為：首先選定整片PERC太陽電池表面左右兩側的中點位置，利用激光在這兩個位置開槽劃線，形成深度為太陽電池厚度30%～50%的加工槽；然后利用激光沿兩端加工槽的兩點成線軌跡進行加熱照射；最后采用水冷卻方式對太陽電池的上半部分或下半部分進行冷卻，從而使太陽電池上下部分形成溫差產生熱應力，依靠熱應力使太陽電池沿裂紋延展斷開。但需要說明的是：無損切割工藝對太陽電池EL圖像發黑無影響。

4.2 "背場和背電極搭接處的外觀分析

利用輪廓儀分別對正常太陽電池與異常太陽電池的背場和背電極搭接處的外觀進行測試分析，其結構圖如圖4所示。

從圖4可以看出：相對于正常太陽電池，異常太陽電池的背場和背電極搭接處發黑，說明此處存在縫隙。由此可見，太陽電池切割面EL圖像發黑與背場和背電極搭接處存在縫隙相關。

4.3 "背場和背電極搭接處的銀鋁接觸電阻分析

太陽電池背場和背電極搭接處的銀鋁接觸電阻的測試流程為：通過金屬-半導體界面的電壓、電流方程推導出不同電流模式下接觸電阻的表達式，并在傳輸線法（TLM）的基礎上精確測量背場和背電極搭接處的銀鋁接觸電阻。測試得到的正常太陽電池與異常太陽電池的背場和背電極搭接處的銀鋁接觸電阻（半片PERC太陽電池共有11根背電極，本實驗測試其中8 根背電極的搭接處，分別記為1#～8#）如表1 所示。

根據表1數據可知：相對于正常太陽電池，異常太陽電池背場和背電極搭接處的銀鋁接觸電阻數值嚴重偏大，說明EL圖像發黑與銀鋁接觸電阻有一定的相關性。分析原因，可能是因為異常太陽電池背場和背電極搭接處的銀鋁接觸電阻值過大，導致電流傳輸異常，從而引發該太陽電池出現切割面EL圖像發黑的問題。

4.4 "背場和背電極搭接處的SEM微觀結構分析

對正常太陽電池與異常太陽電池的背場和背電極搭接處進行SEM測試，其微觀結構圖如圖5所示。圖中，左邊圖片為右邊圖片箭頭指出區域的放大圖。

從圖5可以看出：正常太陽電池的背場和背電極搭接處重疊位置相對平整，而異常太陽電池的背場和背電極搭接處重疊位置存在明顯撕裂空隙，說明其是導致銀鋁接觸電阻數值嚴重偏大的主要因素。

結合前述實驗結果和理論進行分析，異常太陽電池切割面EL圖像發黑的原因可能為：燒結過程中，銀、鋁經過高溫膨脹發生融合反應，由于反應過度導致合金化程度較高，而冷卻時銀、鋁的熱膨脹系數不同（銀的熱膨脹系數為19.5×10-6/℃，鋁的熱膨脹系數為23.2×10-6/℃），因此在降溫時銀鋁漿會出現回縮現象，導致背場和背電極搭接處重疊位置撕裂，出現縫隙空洞，從而使銀鋁接觸效果變差、銀鋁接觸電阻數值嚴重偏大，電流傳輸異常，最終導致該太陽電池切割面的EL圖像發黑。也就是說，背場和背電極搭接處重疊位置存在明顯撕裂空隙是半片PERC光伏組件中太陽電池切割面EL圖像發黑的主要原因。

5 "太陽電池切割面EL圖像發黑的原因驗證及改善措施

5.1 "控制燒結溫度進行原因驗證

通過調整PERC太陽電池制備流程中燒結工藝參數對上述推測得到的太陽電池切割面EL圖像發黑的原因是否正確進行驗證。驗證實驗采用同一臺燒結爐，僅調整燒結區的燒結溫度峰值（本實驗中的燒結溫度均為峰值），其他溫區的溫度相同；燒結溫度呈梯度設置，分別為770、790、810 ℃（其中770 ℃為正常燒結溫度），其他工藝參數設置均相同。將3種燒結溫度條件對應制備成PERC太陽電池，并切割成半片PERC太陽電池，其背場和背電極搭接處的外觀結構圖如圖6所示；再對應封裝成3塊半片PERC光伏組件，并對其進行EL檢測，EL圖像如圖7所示。

結合圖6和圖7可以看出：在其他溫區溫度相同的情況下，隨著燒結區的燒結溫度升高，半片PERC太陽電池的背場和背電極搭接處的外觀圖像越來越黑，說明對應的縫隙越來越大。而從半片PERC光伏組件的EL圖像來看，太陽電池背場和背電極搭接處的縫隙越大，太陽電池切割面的EL圖像發黑程度越嚴重。

5.2 "改善措施

通過前文原因分析和驗證實驗結果，提出針對半片PERC太陽電池背場和背電極搭接處接觸效果的改善措施，即通過控制整片PERC太陽電池燒結工藝中燒結區的燒結溫度峰值來降低其背場和背電極搭接處的銀鋁接觸電阻，以改善該位置的接觸效果，從而改善半片PERC太陽電池切割面EL圖像發黑的情況，最終可提升半片PERC光伏組件的良率。

6 "結論

本文通過實驗對半片PERC光伏組件中太陽電池切割面EL圖像發黑的原因進行了推測分析，然后對該原因進行了驗證，并提出針對太陽電池背場和背電極搭接處接觸效果的改善措施，從而可提升半片PERC光伏組件的良率。研究得出以下結論：

1）背場和背電極搭接處重疊位置存在明顯撕裂空隙是導致半片PERC光伏組件中太陽電池切割面EL圖像發黑的主要原因。銀、鋁經過高溫膨脹發生融合反應，由于反應過度導致合金化程度較高，而冷卻時銀、鋁的熱膨脹系數不同，在降溫時銀鋁漿會出現回縮現象，導致背場和背電極搭接處重疊位置撕裂，出現縫隙空洞，從而使銀鋁接觸效果變差，銀鋁接觸電阻數值嚴重偏大，電流傳輸異常，最終導致半片PERC太陽電池切割面的EL圖像發黑。

2）通過控制PERC太陽電池燒結工藝中燒結區的燒結溫度峰值，可降低背場和背電極搭接處的銀鋁接觸電阻，改善該位置的接觸效果，從而改善半片PERC太陽電池切割面EL圖像發黑的情況，最終可提升半片PERC光伏組件的良率。

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RESEARCH ON EL IMAGE BLACKENING OF SOLAR CELL CUTTING SURFACE IN HALF-PIECE PERC PV MODULES

Zou Wenjie，Yan Haigang，Sun Jinghong，Qiu Wangyuan，Zhang Shijun，Luo Wei

（Yiwu JingAo Solar Co.，Ltd.，Jinhua 322000，China）

Abstract：Compared with whole PV modules，half-piece PV modules have higher output power and superior reliability. However，when conducting electroluminescence （EL） testing on such PV modules，it is found that the problem of EL images blackening on the cutting surface of solar cells frequently occurs. This paper first introduces the structure and sintering process principle of PERC solar cells，as well as the EL imaging principle. Then，through experiments，the appearance，silver aluminum contact resistance，and microstructure of overlap between back field and back electrode of the solar cell detecting by scanning electron microscopy （SEM） in the half-piece PERC PV module are analyzed and studied to infer the reason for the EL image blackening on the cutting surface of the solar cell. Then，a verification experiment is conducted to investigate the cause，and improvement measures are proposed for the contact effect at the overlap between back field and back electrode of solar cells，thereby enhancing the yield of PV modules product. The research results show that： 1） The obvious tearing gap at the overlap between back field and back electrode is the main reason for the EL image blackening "of the solar cell cutting surface in the half-piece PERC PV module. Silver and aluminum undergo a fusion reaction due to high-temperature expansion，resulting in a high degree of alloying caused by excessive reaction. During cooling，the thermal expansion coefficients of silver and aluminum are different，and the silver aluminum paste will shrink during cooling，causing tearing at the overlap between back field and back electrode，resulting in gaps and voids，which deteriorates the silver aluminum contact effect，severely increases the silver aluminum contact resistance value，causes abnormal current transmission，and ultimately leads to EL image blackening of the half-piece PERC solar cell cutting surface. 2） By controlling the peak sintering zone in the sintering temperature of the PERC solar cell sintering process，the silver aluminum contact resistance at the overlap between back field and back electrode can be reduced，improving the contact effect at that location，thereby improving the EL image blackening on the cutting surface of half-piece PERC solar cells，and ultimately improving the product yield of half-piece PERC PV modules.

Keywords：PERC PV modules；half-piece technology；solar cell cutting surface；overlap between back field and back electrode；sintering temperature；silver aluminum contact；EL image blackening