李　路，孫肖林,王　芳，王建波

(1.三江學院電子信息工程學院，江蘇南京210012；2.中電電氣(南京)光伏有限公司，江蘇南京210012)

晶體硅太陽電池漏電檢測與修復

李路1，孫肖林1,王芳1，王建波2

(1.三江學院電子信息工程學院，江蘇南京210012；2.中電電氣(南京)光伏有限公司，江蘇南京210012)

通過紅外熱成像無損檢測技術拍攝晶體硅太陽電池表面的熱分布圖，來確定電池漏電的位置。結合金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡等分析儀器發(fā)現(xiàn)一種新的漏電類型，由多晶硅太陽電池表面附著密集的腐蝕坑所引起的漏電，該漏電成因異于電池片表面的刮傷。采用波長為1 064和532 nm的激光器作為修復漏電電池片的工具，從隔離槽的絕緣性和切斷電池片的PN結所需要的槽深作為研究內容，實驗了三種不同的修復方案，通過測試并對比修復前后電池片的電性能參數(shù)來探索激光器修復漏電所需要的工藝。實驗結果表明：當激光束第二次經(jīng)過槽內時，可以使槽內殘留的硅和金屬顆粒完全氣化，增加了槽的絕緣性，修復效果優(yōu)于一次刻槽。為使漏電電池片得到有效的修復，激光刻槽的深度需在30 μm以上，而非理論上的幾個微米。

硅太陽電池；激光修復；熱紅外成像；旁路結

太陽電池漏電也叫旁路結，指除了太陽電池PN結中擴散電流之外的其他線性和非線性暗電流[1]。O.Breitenstein等[2]從晶體硅太陽電池的原材料和制造工藝的角度把漏電分為以下幾種：硅材料中晶格的缺陷，熔鑄多晶硅時吸附了SiN微粒，多晶硅晶界處的石墨鍵的引入，鋁顆粒污染電池正面，電池邊緣旁路，劃痕，裂紋，燒結溫度過高產(chǎn)生肖特基電阻。測試與對比正常電池與漏電電池的伏安特性曲線可以得出，旁路結的存在使得電池的填充因子和轉換效率降低，串聯(lián)電阻增大，并聯(lián)電阻減小。含有漏電缺陷的組件在使用過程中如果遇到遮蔽陰影情況下，組件漏電的部位將會消耗整體發(fā)電能而產(chǎn)生大量的熱量。在這個過程中，組件的封裝材料EVA會被分解成CO和CO2氣體。由于氣體被TPT和鋼化玻璃密封，當氣體壓力大于TPT與未燃燒EVA的粘接力時，在發(fā)熱點處的TPT或玻璃會被爆穿，嚴重影響組件的使用壽命。所以如何解決晶體硅太陽電池的漏電問題顯得十分必要。通常質量差的電池片會被整體廢棄，造成極大的浪費。也有將其經(jīng)過化學腐蝕后重新開始用于制作新的電池，但是對其很難進行手工操作和絲網(wǎng)印刷，且處理成本較高。針對以上問題，我們提出了漏電檢測與修復防患于未然。

1　實驗

1.1晶體硅太陽電池漏電的檢測

晶體硅太陽電池漏電檢測的關鍵是漏電部位的準確定位，相關定位方法的報道已經(jīng)很多。如利用膽甾相液晶的旋光性原理，制成漏電檢測儀器，當溫度變化時，選擇反射光的顏色就會改變，可以分辨出0.5℃的溫度變化[3-4]。另外還有紅外鎖像技術(Lock-in thermography,ILIT)、電致發(fā)光(Electroluminescence,EL)和光致發(fā)光(Photoluminescence,PL)等漏電定位技術。ILIT通過周期性的外部激勵和熱像圖采集，提取電池表面溫度周期性變化的振幅和相位信息，從而大大減少熱擴散影響，可以精準鎖定漏電位置和面積大小。電致發(fā)光(EL)和光致發(fā)光(PL)異于熱成像技術，是利用電流注入或光子注入使電池中激發(fā)電子空穴對，然后被激發(fā)的電子和空穴復合向外發(fā)射光子，波長大約為3～5 μm。與熱成像相比，EL和PL因為其短波紅外光可以穿透玻璃，在組件方面更受重視。但是在檢測漏電缺陷方面紅外熱成像相對于EL和PL效果更優(yōu)，根據(jù)不同漏電程度的缺陷會顯示不同的發(fā)熱狀況，從而直接地判斷漏電位置和程度的輕重[5-7]。

圖1為定位漏電區(qū)域的裝置示意圖[8]，該系統(tǒng)有紅外熱像儀、直流穩(wěn)壓源、樣品臺和計算機四部分組成。紅外熱像儀采用VH 190非制冷焦平面微量熱型探測器，50 Hz實時成像，探測的光譜范圍為7.5～14 μm，熱靈敏度優(yōu)于0.08℃。直流穩(wěn)壓電源采用VD1710-3B三路跟蹤直流穩(wěn)壓源。當太陽電池在外加反向偏壓下，漏電區(qū)域發(fā)熱比非漏電區(qū)域明顯，因而該處溫度比非漏電區(qū)域高。利用紅外熱像儀對太陽電池表面溫度分布進行測量就可以確定漏電區(qū)域的位置。某區(qū)域的溫度越高，該處的漏電流越嚴重。

圖1　定位漏電區(qū)域的裝置示意圖

1.2晶體硅太陽電池漏電的修復

晶體硅太陽電池片等效成無數(shù)個“點型”PN結并聯(lián)而成。太陽電池漏電的修復就是隔離掉失效部分的PN結，使其不影響整片電池的性能。傳統(tǒng)的機械隔離是一種危險的做法[9]，由于精度不高，不但不能隔離掉漏電部位，而且還會引進新的旁路結?；瘜W刻蝕漏電區(qū)域，操作過于繁瑣和成本過高，所以我們選用激光器作為修復工具。聚焦后的極細的激光光束如同刀具，利用其高密度的能量對硅片進行局部照射，使其表層材料氣化。其先進性在于隔離過程為非接觸性加工，不產(chǎn)生機械擠壓或機械應力，而且熱影響區(qū)域小，因此不會損傷電池片。本文從刻槽的絕緣性和深度兩方面優(yōu)化激光工藝參數(shù)，結合Veeco NT9000輪廓儀，實驗了三種不同的修復方案，即紅外激光相同工藝參數(shù)下的一次刻槽和兩次刻槽，以及綠激光器的兩次刻槽。

2　結果與分析

2.1多晶密集腐蝕坑型漏電

在進行紅外熱成像時，先對電池先后施加反向偏壓，從0 V開始逐漸加大，觀測電池的發(fā)熱情況。嚴重的漏電一般在0.5 V時就出現(xiàn)明顯的發(fā)熱異常，而一般在5 V以上才出現(xiàn)異常發(fā)熱的漏電區(qū)對正常工作條件下的電池性能影響很小。由于硅片熱傳導性差，通?？梢栽?～2 s內完成電池片的熱成像拍攝。輔助設備用到金相顯微鏡、掃描電鏡和能量質譜儀，可以準確地找出漏電類型。圖2中從金相圖和電子掃描圖上可以看出多晶硅電池片上有許多暗紋和孔洞，這些暗紋和孔洞異于電池片表面的刮傷。在多晶硅電池制絨過程中，由于制絨液不均勻，多晶硅片中的小角晶界易于被腐蝕，從而在硅片表面形成暗紋和孔洞。而小角晶界往往是雜質及缺陷的聚集區(qū)域，從而產(chǎn)生旁路結，降低電池片的效率。

圖2　含旁路結電池片的熱成像圖(a)、金相顯微圖(b)和SEM圖(c)

2.2旁路結的修復

激光光斑重疊率經(jīng)驗計算方法為：μ=(1－v/fd)×100%，其中μ為激光光斑的重疊率，v為激光光斑移動速度，f為激光器的Q頻，d為光斑直徑[10]。根據(jù)光斑重疊率的計算公式，調節(jié)激光器的相關參數(shù)，使激光刻槽均勻連續(xù)。圖3為(a),(b)和(c)激光的工藝隔離后的三維輪廓圖。從槽的輪廓圖上可以看出，激光的波長和材料的吸收有很大關系，硅片對λ=532 nm波長的激光有很好的吸收，而λ=1 064 nm波長的激光需要隔離兩次才能達到連續(xù)均勻的槽。根據(jù)比色條，可以讀出槽的深度，λ= 1 064 nm的激光刻槽兩次的深度大于30 μm,λ=532 nm的激光刻槽兩次的深度為30 μm。

圖3　激光刻槽的輪廓圖

從同一批次已經(jīng)被檢測出含有旁路結的晶體硅電池進行修復研究，分別按照圖3激光的工藝參數(shù)進行旁路結隔離。通過測量對比原始含有旁路結的晶體硅電池和修復后的電池的電性能參數(shù)，來評估修復效果。圖4～6為修復前后電池片的效率、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻數(shù)據(jù)對比。

比較修復前后電性能參數(shù)可以發(fā)現(xiàn)：采用工藝(a)，使太陽電池效率平均降低了0.065%，串聯(lián)電阻平均降低0.034 5%，并聯(lián)電阻平均提高了80%；采用工藝(b)，使太陽電池效率平均提高了1.241%，串聯(lián)電阻平均降低了5.538%，并聯(lián)電阻平均提高了100%以上；采用工藝 (c)，使串聯(lián)電阻平均增加了1.514%，效率和并聯(lián)電阻幾乎沒什么變化。

3　結論

本文利用紅外熱成像無損檢測技術，結合金相顯微鏡、掃描電子顯微鏡和能譜儀等輔助分析儀器，發(fā)現(xiàn)了一種新的漏電類型，即多晶硅電池表面密集腐蝕坑所引起的漏電，該漏電的成因異于電池片表面的刮傷。在多晶硅電池制絨過程中，由于制絨液和溫度的不均勻，多晶硅片中的小角晶界易于被腐蝕，從而在硅片表面形成暗紋和孔洞，而小角晶界往往是雜質及缺陷的聚集區(qū)域，從而產(chǎn)生旁路結，降低電池片的效率。對比修復前后太陽電池的效率、串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻，發(fā)現(xiàn)紅外激光器的兩次刻槽修復的效果優(yōu)于紅外激光一次刻槽和綠激光二次刻槽。相同激光參數(shù)下的兩次刻槽修復的效果優(yōu)于一次刻槽驗證了一次刻槽會使槽內殘留硅和金屬顆粒的猜想。硅和金屬的殘渣會使槽的絕緣性大大降低，導致激光修復效果不明顯。輪廓優(yōu)美的綠激光二次刻槽的深度為30 μm，紅外二次刻槽的深度大于30 μm，但是修復效果優(yōu)于綠激光器刻槽，說明了想要徹底切斷漏電部位和周圍PN結的聯(lián)系，刻槽的深度需30 μm以上。以上實驗結果對激光修復產(chǎn)業(yè)化研究具有指導性的意義。

圖4　方案(a)(b)(c)下，電池片修復前后的效率

圖5　方案(a)(b)(c)下，電池片修復前后的串聯(lián)電阻

圖6　方案(a)(b)(c)下，電池片修復前后的并聯(lián)電阻

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Detection and repair of crystalline silicon solar cell leakage

LI Lu1,SUN Xiao-lin1,WANG Fang1,WANG Jian-bo2
(1.College of Electronic and Information Engineering,San Jiang University,Nanjing Jiangsu 210012,China;2.China Sunergy(Nanjing)Co. Ltd,Nanjing Jiangsu 210012,China)

Based on the nondestructive testing technology,a method was presented to localize the leakage current of the c-s solar cell that infrared thermograph was used to take a photograph on the surface of the cell to see how the heat was distributing.The optical microscope and SEM could find a new type leakage current which was the cause of dense corrosion pits.Two types of lasers with 1 064 and 532 nm were used to do three difficult kinds of the repair technologies from the insulation and depth of the groove.It could estimate the effect of the repair through the I-V electric performance parameters before and after.The experimental results show that twice groove repair technology can make the residual silicon and metal particles vaporized off completely from the groove.The depth of groove needs more than 30 μm that can remove the leakage from the cell better.

Si solar cell;laser repair;infrared thermography;bypass

TM 914.4

A

1002-087 X(2016)10-1979-04

2016-03-26

江蘇省高校自然科學基金(14KJD510009)

李路(1983—)，男，江蘇省人，講師，碩士，主要研究方向為高效太陽電池。