中電投西安太陽能西寧分公司 高艷飛 申海超

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EL測試在晶硅電池及組件質量控制中的應用

中電投西安太陽能西寧分公司 高艷飛 申海超

【摘要】基于電致發(fā)光（Electroluminescence,EL）的理論，本文介紹了利用近紅外檢測的方法，檢測出了晶體硅太陽電池和組件內部常見的隱性缺陷。這些缺陷包括：材料缺陷、高溫擴散缺陷、金屬化缺陷、高溫燒結缺陷、工藝誘生污染以及生產(chǎn)過程中的裂紋等，并簡要分析了造成這些缺陷的原因，通過EL測試可以發(fā)現(xiàn)以往常規(guī)手段難以發(fā)現(xiàn)的品質缺陷，對電池品質提升大有裨益。

【關鍵詞】太陽電池；電致發(fā)光；電池缺陷；隱裂；斷柵

0　引言

隨著光伏行業(yè)的迅猛發(fā)展，光伏產(chǎn)業(yè)已經(jīng)度過了野蠻生長階段，光伏產(chǎn)品的質量要求也在不斷提高，光伏組件質量控制環(huán)節(jié)中測試手段的不斷增強，原來的成品外觀檢驗和電性能基礎測試已無法滿足行業(yè)的對產(chǎn)品質量的需求。目前EL測試設備已經(jīng)被大部分光伏制造企業(yè)應用于晶體硅太陽電池及組件生產(chǎn)線，用于成品檢驗或在線產(chǎn)品質量控制，EL是英文electroluminescence的簡寫，中文叫做電致發(fā)光或場致發(fā)光。

1　EL測試的原理

在晶硅電池內部，只有少子的擴散長度大于勢壘寬度，電子和空穴才能通過勢壘區(qū)時而不會因復合而消失。正向偏置電壓下，p-n結勢壘區(qū)和擴散區(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)載流子復合而發(fā)光，這就是太陽電池電致發(fā)光的基本原理[1]（見圖1[2]）。

EL Tester 測試的原理：在暗室中，對晶硅電池外加正向偏置電壓，其目的是向晶硅電池注入大量非平衡載流子，并依靠從擴散區(qū)注入的非平衡載流子不斷地復合，產(chǎn)生光子。再利用噪音小，且在900-1100nm光譜范圍內具有較高靈敏度的CCD相機捕獲到部分光子，然后經(jīng)過計算機進行處理后，以圖像的形式顯示出來。[3]（見圖2）。

圖1　EL測試原理圖

圖2　電致發(fā)光的光譜圖

EL測試圖像的明暗度與電池片的少子擴散長度和電流密度成正比（見圖3[4]），當晶硅太陽電池內部存在缺陷時，其少子壽命分布會出現(xiàn)明顯差異，從而導致圖像顯示存在明暗差異。通過對EL測試圖像分析可以及時清晰的發(fā)現(xiàn)晶硅電池及組件內部存在的隱性缺陷，這些缺陷包括硅材料缺陷（位錯、層錯、參雜異常）、擴散缺陷（方阻不均勻）、印刷缺陷（斷柵、虛?。?、燒結缺陷（履帶印）、工藝污染以及組件封裝過程中的隱形裂紋等。

2　EL測試常見缺陷及分析

2.1破片

由于晶硅電池破裂后，電流在其破裂區(qū)域無法形成回路，從而導致該區(qū)域在EL測試圖像中顯示局部不發(fā)光，因此破片在EL測試圖像中表現(xiàn)為電池片中有不規(guī)則黑塊（見圖4）。電池生產(chǎn)過程中破片主要集中在測試分選工序，可通過人工分選將其剔出。

圖3　EL強度決定于正向注入電流密度和少子擴散長度

圖4　組件破片EL圖像

2.2隱裂

由于硅材料本身比較脆，易碎，因此在晶硅電池生產(chǎn)和組件封裝過程中極易產(chǎn)生裂紋。裂紋一般分兩種，顯裂和隱裂。顯裂是可以通過肉眼直接看到的明顯裂紋，在電池生產(chǎn)過程中可通過人工分選挑除；隱裂一般是由于電池片受到熱應力或外力等使其內部產(chǎn)生細裂紋。隱裂片的成像特點是裂紋在EL測試下產(chǎn)生明顯的明暗差異的紋路（黑線）（見圖5），隱性裂紋是無法通過肉眼直接看到的，并且在組件的制程過程中更容易引起破片、隱裂等問題。因此EL測試成為了生產(chǎn)中監(jiān)測隱裂片的重要手段，通常在組件層壓前工序及時將隱裂片更換，可減少組件成品不良。

圖5　晶硅太陽電池隱裂EL圖像

2.3斷柵

隨著光伏行業(yè)的迅猛發(fā)展，高阻密柵、柵線細化已成為目前常規(guī)電池發(fā)展的方向。而為了進一步提高電池的轉換效率，銀漿也在沿著高粘度，塑性好的方向在發(fā)展，這也導致了電池片的印刷難度增加。電池片的斷柵主要是由于電池片在金屬印刷過程中由于細柵斷點或細柵缺失，造成細柵線與主柵線不能形成回路。從EL測試圖中表現(xiàn)為沿電池片主柵線的暗線（見圖6），這是因為電池正面的細柵線出現(xiàn)斷點后，在EL測試過程中從電池片主柵線上注入的電流在未連接的細柵區(qū)域的電流密度很小甚至沒有，從而導致電池片的未連接細柵處發(fā)光強度較弱或不發(fā)光，形成一條暗線。

圖6　晶硅太陽電池虛印、斷柵EL圖像

2.4燒結缺陷

在電池片金屬化過程中，燒結工藝沒有優(yōu)化或燒結設備存在缺陷時，生產(chǎn)出來的電池片在EL測試過程中會顯示為類似履帶印的圖像（見圖7）。實際生產(chǎn)中可通過優(yōu)化燒結工藝參數(shù)或選擇點接觸及邊緣接觸方式的爐帶以有效的消除履帶印問題。

圖7　燒結缺陷（履帶印）EL圖像

2.5黑芯、黑斑

黑芯片在EL測試圖中顯示為從電池片中心到邊緣逐漸變亮的同心圓，它們產(chǎn)生于拉晶階段，與硅棒制作過程中氧的溶解度和分凝系數(shù)大有關。黑斑片在EL測試圖中成像黑斑點分布在電池片中，主要是由于硅料受到其他雜質的污染，使得硅片產(chǎn)生位錯造成少數(shù)載流子的壽命降低，使電池片局部發(fā)黑（見圖8）。此種材料缺陷勢必導致晶硅電池的缺陷部分少子壽命小，從而導致電池片中有此類缺陷的部分在EL測試過程中表現(xiàn)為發(fā)光強度較弱或不發(fā)光，成黑色圖像。

圖8　黑芯、黑斑EL圖像

2.6漏電、擊穿

漏電電池一般指電性能測試時，Irev2值（給電池加反向偏置電壓-12V時的電流值）偏大的片子，一般規(guī)定Irev2＞2屬于電性不良片。如圖9所示，EL顯示的較粗黑線表明該區(qū)域沒有探測器可探測到的光子放出。其主要原因是燒結溫度與擴散方阻不匹配導致PN結燒穿或者電池片鍍膜面沾有鋁漿燒結后導致PN結擊穿。因此，EL測試時，給電池片加壓后此處細柵與主柵不能形成回路，該區(qū)域顯示為黑色。

圖9　漏電、擊穿電池片EL圖像

3　結論

EL（Electroluminescence）的檢測方法，是利用了電致發(fā)光原理對晶硅太陽電池及組件施加正向偏壓產(chǎn)生光子，并通過CCD相機捕獲近紅外光子，然后經(jīng)過計算機處理形成可視圖像來分析晶硅電池及組件內的缺陷。通過EL圖像分析可準確判別晶硅太陽電池中可能存在的隱裂、斷柵、電阻不勻、等缺陷，而這些缺陷均無法通過肉眼發(fā)現(xiàn)，因此通過EL測試是一種有效的檢測晶硅太陽電池、組件的隱形缺陷，控制、分析質量的方法。

參考文獻

[1]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,1998:286.

[2]Y.Takahashi,Y.Kaji,A.Ogane,Y.Uraoka and T.Fuyuki,”-Luminoscopy- Novel Tool for the Diagnosis of Crystalline Silicon solar cells and Modules Utilizing Electroluminescence”, IEEE, 2006,pp.924-927.

[3]P.Würfel,T.Trupke,and T.Puzzer.Diffusion lengths of silicon solar cells from luminescence images[J].J.Appl. Phys,2007,101,123110[3] C.P.ChenAnalytical Determination of Critical Crack Size in Solar CellsJPL Publication 88-19[4] David Hinken,Klaus Ramspeck,Karsten B.

[4]Takashi Fuyuki, Yasue Kaji,Akiyoshi Ogane,and Yu Takahashi,”ANALTIC FINDINGS IN THE PHOTOGRAPHICCHARACTERIZATION OF CRYSTALLINESILICON SOLAR CELLS USINGELECTROLUMINESCE NCE”, IEEE, 2006,pp.905-907.

[5]C.P.Chen,Analytical Determination of Critical Crack Size in Solar CellsJPL Publication 88-19[4].

[6]David Hinken,Klaus Ramspeck,Karsten Bothe.Series resistance imaging of solar cells by voltage dependent electroluminescence[J].J.Appl.Phys,2007,91,182104.