0 引言

目前規(guī)模生產(chǎn)的太陽電池的質(zhì)量主要是從外觀和電致發(fā)光(EL)兩方面做判定。EL不良率是影響生產(chǎn)線合格率的主要因素之一，其問題的解決一直是困擾生產(chǎn)線的難題，查找原因、改善和解決問題是生產(chǎn)線一直探究的方向。本文主要針對太陽電池測試中出現(xiàn)的雪花狀漏電問題展開分析，并對此類電池的可靠性進行了評估。

1 漏電電池片分析

對在太陽電池測試中出現(xiàn)雪花狀漏電的異常電池片進行酸拋處理，用H2O、HCl、HNO3、HF按1∶1∶1∶1的比例混合成酸液，將背電場、電極、減反膜、p-n結(jié)及絨面酸洗拋光后進行如下測試。

1.1 光致發(fā)光(PL)測試

將酸拋后的漏電電池硅片與正常硅片經(jīng)同一制絨槽制絨后進行PL測試，測試結(jié)果如圖1、圖2所示。

對比圖1和圖2可知，酸拋后的漏電電池硅片并未出現(xiàn)發(fā)黑區(qū)域，也未見其他異常，因此可認(rèn)為酸拋后的漏電電池硅片PL測試合格。

圖1 酸拋后的漏電電池硅片PL測試

圖2 正常硅片PL測試

1.2 酸拋后的漏電電池硅片參數(shù)測試

漏電電池片酸拋后，對其進行少子壽命、電阻率及厚度測試，具體數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 酸拋后的漏電電池硅片性能參數(shù)

少子壽命達到合格的標(biāo)準(zhǔn)是大于1.2 μs，但從表1測試數(shù)據(jù)來看，少子壽命存在不合格的情況，不良率為57.1%，不合格比例較高。

1.3 硅片面少子壽命測試

圖3 漏電電池片酸拋后的硅片面少子壽命

圖4 正常硅片的面少子壽命

圖3為漏電電池片經(jīng)酸拋后，測試其硅片的面少子壽命，均值為0.974 μs；圖4為正常硅片面少子壽命，均值為1.553 μs。由于漏電電池片所使用硅片的少子壽命低于1.2 μs，因此不滿足合格標(biāo)準(zhǔn)。

1.4 硅片晶向、位錯測試

1)晶向測試。晶向測試是利用X射線儀進行晶向測定。其原理為：當(dāng)一束平行的單色X射線射入晶體表面時，X射線照在相鄰平面之間的光程差為其波長的整數(shù)倍時就會產(chǎn)生衍射。利用計數(shù)器探測衍射線，根據(jù)其出現(xiàn)的位置確定單晶的晶向。

2)位錯測試。位錯測試是利用化學(xué)擇優(yōu)腐蝕來顯示缺陷，試樣經(jīng)擇優(yōu)腐蝕液腐蝕后，在有缺陷的位置會被腐蝕成淺坑或丘，可采用目視法結(jié)合金相顯微鏡進行觀察。

對3片漏電電池片酸拋后進行晶向、位錯測試，數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 晶向、位錯測試數(shù)據(jù)

根據(jù)表2數(shù)據(jù)可知，晶向偏離度基本在1o以下，技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對晶向偏離度的要求通常為距離〈100〉晶向±3o，測試結(jié)果滿足要求，且檢測未發(fā)現(xiàn)位錯。這說明漏電原因不是晶界問題引起的。

1.5 酸拋返工

將酸拋后的漏電電池片重新進行生產(chǎn)線工藝加工，制成電池片后對其進行EL測試。

對比圖5、圖6可知，生產(chǎn)線返工再次做成電池片，測試其EL依然有漏電。但與第一次制成的電池片的EL測試結(jié)果對比后發(fā)現(xiàn)，漏電點明顯減少，但漏電并未因改變制作流程而消失，只是有所減輕，說明問題主要存在于硅片表層。

圖5 第一次制成的電池片的EL測試結(jié)果

圖6 返工后的電池片EL測試結(jié)果

2 工藝排查分析

2.1 電性能參數(shù)對比

將漏電電池片與正常電池片在同一測試條件下對比測試。表3為正常電池片與漏電電池片(未返工)的性能參數(shù)對比。

表3 正常電池片與漏電電池片性能參數(shù)對比

由表3可知，漏電電池片的并聯(lián)電阻較小、漏電電流基本都大于2 A，說明此類電池片不合格。

2.2 生產(chǎn)工藝過程分析排查

電池生產(chǎn)中產(chǎn)生漏電的因素主要包括：燒結(jié)溫度過高、硅片本身制絨過深、燒結(jié)時造成燒穿、擴散很薄或無擴散，從而導(dǎo)致正電極和背電場導(dǎo)通[1]。因此，可從制絨、擴散和燒結(jié)工序做排查分析。

2.2.1 制絨工藝

在顯微鏡下觀察漏電電池片與正常電池片的絨面，圖7為正常電池片的絨面，圖8為漏電電池片的絨面。顯微鏡測試得到正常和異常片的金字塔大小皆處于1.769～2.491 μm之間，因此符合標(biāo)準(zhǔn)要求(標(biāo)準(zhǔn)為1.5～3.0 μm)。絨面整體未表現(xiàn)出明顯異常，排除是制絨工藝造成的可能性。

圖7 正常電池片的絨面

圖8 漏電電池片的絨面

2.2.2 擴散工序

1)測試酸拋前的漏電電池片和正常電池片的方阻差異，測試時探針壓在非柵線區(qū)。表4為電池片方阻測試數(shù)據(jù)。由表4可知，正常片和異常片的方阻值均分布在1.6～7.2 Ω/□，生產(chǎn)線方阻測試的值通常在2.0～9.0 Ω/□，對比后無明顯差異，可認(rèn)為漏電電池片的方阻正常。

表4 電池片方阻測試數(shù)據(jù)

2)查取生產(chǎn)監(jiān)控數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，生產(chǎn)線正常生產(chǎn)抽檢測試的擴散方阻無異常。因此，針對擴散均勻性較差的爐口進行測試驗證。取制絨后待擴散的硅片放于擴散爐爐口位置，測試其擴散后的方阻，并測試成品電池的電性能、EL反向漏電情況。

表5為擴散后的方阻測試數(shù)據(jù)。由表5可知，硅片擴散后測得的方阻介于91～103 Ω/□之間。

表5 爐口位置硅片擴散后的方阻測試數(shù)據(jù)

將爐口處的硅片制成電池后，測試電池的電性能，如表6所示。由表6可知，未出現(xiàn)漏電流Irev1、Irev2大于0.5 A、并聯(lián)電阻偏小的情況。所以不是擴散爐口位置出現(xiàn)的異常。

表6 電池片的電性能測試數(shù)據(jù)

對電池片進行EL反向測試，表7 為電池片的反向漏電測試數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)皆小于0.5 A。擴散均勻度最差的爐口位置的硅片制成的電池片未出現(xiàn)雪花狀漏電現(xiàn)象，排除是擴散工藝造成的可能性。

2.2.3 燒結(jié)工藝

用同一片電池片驗證生產(chǎn)線燒結(jié)爐工藝，取生產(chǎn)線編號為L2-1的電池片，測試其EL，分別在生產(chǎn)線L2-2、L1-1和L1-2進行重復(fù)燒結(jié)，EL反向漏電[2]如圖9所示。

表7 電池片反向漏電測試數(shù)據(jù)對比

圖9 不同燒結(jié)情況下的EL反向漏電圖

從圖9可以看出，燒結(jié)對電池片造成的影響與生產(chǎn)線發(fā)現(xiàn)的異常漏電電池片的特征不同，由此可以排除燒是結(jié)工藝造成的可能性。

2.3 量子效應(yīng)測試

圖10為漏電電池與正常電池的外量子效率對比圖。由圖10可知，在整個波段，漏電電池片的外量子效率都比較低，單從數(shù)據(jù)無法判斷出是哪個工序出現(xiàn)了異常。

圖10 漏電電池與正常電池的外量子效率對比圖

3 成份分析

利用ICP-MS(電感耦合等離子體質(zhì)譜儀)分別測試酸拋后的正常電池片和3類雪花狀漏電電池片的硅基體成份含量，具體數(shù)據(jù)如表8所示。

表8 成份測試數(shù)據(jù)

從表8來看，漏電電池3的金屬雜質(zhì)含量偏高，主要是由于Ca、Cu、Mg、Ti和Zn的存在；漏電電池2主要是Cu的含量偏高；漏電電池1是經(jīng)過深拋的硅片，未發(fā)現(xiàn)明顯雜質(zhì)含量，因此可以認(rèn)為此雜質(zhì)主要集中在硅片表面。硅片都是采用金剛線切割，金剛線母線的主要成分是Cu元素，硅片生產(chǎn)過程中無其他含銅物質(zhì)，所以Cu2+是硅片切割線引入的，而切割只會磨損表面，測試到的雜質(zhì)正是處于表層，因此可以判斷，產(chǎn)生雪花狀漏電的原因是由硅片切割引起的，而非硅棒自身的問題。

4 漏電電池可靠性分析

4.1 光衰實驗

選取正常電池片及漏電電流為0.5～1.5 A范圍內(nèi)的電池片進行光衰實驗[3]，表9為光衰測試數(shù)據(jù)。

表9 光衰測試數(shù)據(jù)

表10 組件中不同區(qū)域電池片溫度測試數(shù)據(jù)

由表9可知，漏電電流在0.5～1.5A之間的漏電電池片的衰減率比正常電池片高0.28%；漏電電池的衰減率標(biāo)準(zhǔn)為小于3%，因此漏電電池片的衰減不合格率為25%。

4.2 組件溫度測試

將漏電流在0.5～1.5 A之間的4片電池片與同效率的正常電池片共同組成組件，通電后測試不同區(qū)域電池片的溫度，如表10所示。

組件通入工作電流后，記錄其4天內(nèi)的溫度情況發(fā)現(xiàn)：組件中漏電電流為0.5～1.5 A的電池片所在區(qū)域比正常電池片(一般漏電電流在0.2～0.5A)所在區(qū)域的工作溫度高0.3 ℃。

含有漏電電池片的組件與正常組件通電后，對比二者工作情況下的溫度差異，具體如表11所示。

由表11可知，漏電后漏電電池片所在組件的溫度比正常組件的溫度高約2.6 ℃。

表11 不同組件溫度測試對比

5 結(jié)論

1)本批次漏電電池片主要是硅片質(zhì)量的問題，硅片少子壽命、電阻率均出現(xiàn)了不合格，少子壽命不合格比例較高。

2)用重現(xiàn)性的方法排查硅片制絨、燒結(jié)和擴散工序，皆未出現(xiàn)雪花狀漏電現(xiàn)象，由此可判斷漏電異常并非因這些工序?qū)е隆?/p>

3)從電池片成分分析數(shù)據(jù)來看，漏電電池片的金屬雜質(zhì)種類多且含量明顯偏高。

4)從一次制程和酸拋后二次制程的結(jié)果來看，電池片漏電問題并未因改變制程而消失，但漏電點明顯減少。從漏電原理來看，本次雪花狀漏電異片主要是由于硅片在生產(chǎn)過程中引入了金屬雜質(zhì)所致。

5)從電池和組件的可靠性分析，漏電電流偏高的電池片在衰減率和工作溫度方面均高于正常電池片，衰減不合格比例為25%，組件溫度高0.3 ℃。