微信客服
微信公眾號
摘 要 本文基于電致發光（Electroluminescence,EL）的理論，介紹了利用近紅外檢測的方法，檢測出了晶體硅太陽電池及組件中常見的隱性缺陷。這些缺陷包括：硅材料缺陷、擴散缺陷、印刷缺陷、燒結缺陷以及組件封裝過程中的裂紋等，并簡要分析了造成這些缺陷的原因。
近年來隨著光伏行業的迅猛發展，光伏組件質量控制環節中測試手段的不斷增強，原來的外觀和電性能測試已遠遠不能滿足行業的需求。目前一種可以測試晶體硅太陽電池及組件潛在缺陷的方法為行業內廣泛采用，即EL測試。EL是英文electroluminescence的簡稱，譯為電致發光或場致發光。目前EL測試技術已被很多晶體硅太陽電池及組件廠家應用，用于產品的成品檢驗和在線產品質量控制。
1. EL測試的原理
在太陽電池中，少子的擴散長度遠遠大于勢壘寬度，因此電子和空穴通過勢壘區時因復合而消失的幾率很小，繼續向擴散區擴散。在正向偏置電壓下，p-n結勢壘區和擴散區注入了少數載流子，這些非平衡少數載流子不斷與多數載流子復合而發光，這就是太陽電池電致發光的基本原理[1]。發光成像有效地利用了太陽電池間帶中激發電子載流子的輻射復合效應。在太陽能電池兩端加入正向偏壓, 其發出的光子可以被靈敏的CCD 相機獲得, 即得到太陽電池的輻射復合分布圖像。但是電致發光強度非常低, 而且波長在近紅外區域，要求相機必須在900-1100nm 具有很高的靈敏度和非常小的噪聲。
EL測試的過程如圖1所示，晶體硅太陽電池外加正向偏置電壓，直流電源向晶體硅太陽電池注入大量非平衡載流子，太陽電池依靠從擴散區注入的的大量非平衡載流子不斷地復合發光，放出光子，也就是光伏效應的逆過程；再利用CCD相機捕捉到這些光子，通過計算機進行處理后以圖像的形式顯示出來，整個過程都在暗室中進行。
EL測試的圖像亮度正比于電池片的少子壽命（或少子擴散長度）與電流密度，太陽電池中有缺陷的地方，少子擴散長度較低，所以顯示出來的圖像亮度較暗。通過EL測試圖像的分析可以有效的發現太陽電池及組件的缺陷，包括硅材料缺陷、擴散缺陷、印刷缺陷、燒結缺陷以及組件封裝過程中的裂紋等。
圖1 EL測試原理圖
2. EL測試常見缺陷及分析
2.1 破片
組件中的破片多出現在焊接和層壓工序，EL測試圖如圖2所示。
圖2 破片EL測試圖
2.2 隱裂
太陽能電池所采用的硅材料脆度較大，因此在電池片生產和組件封裝過程中很容易產生裂片。裂片分兩種一種是顯裂，一種是隱裂。顯裂是肉眼可直接看到，在制作組件之前就可以剔除；而隱裂則不行，并且在組件制作過程中更容易產生碎片等問題。
通過EL測試圖就可以觀測到，如圖3所示，由于單晶硅（100）面的解離面是（111），因此單晶電池的隱裂一般沿著硅片的對角線方向的“X”裝圖形。但是由于多晶硅片存在晶界的影響有時很難區分晶界與隱裂，見圖4區域。
圖3 單晶隱裂EL測試圖
圖4 多晶隱裂EL測試圖
2.3 斷柵
斷柵主要是由與電池片本身柵線印刷不良和焊接過程造成的。從EL測試圖中可以看出顯示為黑線狀，這是因為在柵線斷掉后，從主柵線上注入的電流在斷柵附近電流密度很小甚至沒有，從而導致EL發光強度下降或不發光。
圖5 斷柵EL測試圖
2.4 燒結缺陷
一般而言，燒結參數沒有優化或設備存在問題時，EL測試圖上會顯示網袋印（圖6）。采用頂針式或斜坡式的網袋則可有效消除網袋問題，圖7是頂針式燒結爐里出來的電池，圖中的黑點就是頂針的位置。
2.5 黑心片
圖8就是我們一般所說的“黑心”片的EL測試圖。在圖中我們可以清晰的看到漩渦缺陷，它們是點缺陷的聚集，產生于硅棒生長時期。此種材料缺陷勢必導致硅的少數載流子濃度降低，降低該區域的發光強度。
圖8 黑心片EL測試圖
2.6 電池片混擋
一塊組件的EL測試圖中有部分電池片發光強度較弱（圖9），由于這些電池片的電流或電壓分檔與該組件中大部分電池片不一致造成的。
圖9 混擋EL測試圖
2.7 電池片電阻不均勻
EL測試電池表面發光強度不均勻(圖10)，這是由于電阻不均勻引起的, 較暗區域一般串聯電阻較大。這種缺陷能反應少子壽命的分布情況，缺陷部位少子躍遷機率降低，故電致發光圖片上顯現為暗色。
圖10 電池電阻不均勻EL測試圖
3 結論
電致發光（Electroluminescence ,EL）的檢測方法，利用電致發光原理對晶硅太陽電池及組件做了近紅外成像測試，通過EL測試圖迅速地檢測出了太陽電池及組件中可能存在的缺陷，是一種有效的檢測電池、組件的方法。EL測試在太陽電池及組件質量分析和控制發揮越來越重要的作用。
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] 鄭建邦，任駒，郭文閣等. 太陽電池內部電阻對其輸出特性影響的仿真[J].太陽能學報,2006,27(2):121-125
近年來隨著光伏行業的迅猛發展，光伏組件質量控制環節中測試手段的不斷增強，原來的外觀和電性能測試已遠遠不能滿足行業的需求。目前一種可以測試晶體硅太陽電池及組件潛在缺陷的方法為行業內廣泛采用，即EL測試。EL是英文electroluminescence的簡稱，譯為電致發光或場致發光。目前EL測試技術已被很多晶體硅太陽電池及組件廠家應用，用于產品的成品檢驗和在線產品質量控制。
1. EL測試的原理
在太陽電池中，少子的擴散長度遠遠大于勢壘寬度，因此電子和空穴通過勢壘區時因復合而消失的幾率很小，繼續向擴散區擴散。在正向偏置電壓下，p-n結勢壘區和擴散區注入了少數載流子，這些非平衡少數載流子不斷與多數載流子復合而發光，這就是太陽電池電致發光的基本原理[1]。發光成像有效地利用了太陽電池間帶中激發電子載流子的輻射復合效應。在太陽能電池兩端加入正向偏壓, 其發出的光子可以被靈敏的CCD 相機獲得, 即得到太陽電池的輻射復合分布圖像。但是電致發光強度非常低, 而且波長在近紅外區域，要求相機必須在900-1100nm 具有很高的靈敏度和非常小的噪聲。
EL測試的過程如圖1所示，晶體硅太陽電池外加正向偏置電壓，直流電源向晶體硅太陽電池注入大量非平衡載流子，太陽電池依靠從擴散區注入的的大量非平衡載流子不斷地復合發光，放出光子，也就是光伏效應的逆過程；再利用CCD相機捕捉到這些光子，通過計算機進行處理后以圖像的形式顯示出來，整個過程都在暗室中進行。
EL測試的圖像亮度正比于電池片的少子壽命（或少子擴散長度）與電流密度，太陽電池中有缺陷的地方，少子擴散長度較低，所以顯示出來的圖像亮度較暗。通過EL測試圖像的分析可以有效的發現太陽電池及組件的缺陷，包括硅材料缺陷、擴散缺陷、印刷缺陷、燒結缺陷以及組件封裝過程中的裂紋等。
圖1 EL測試原理圖
2. EL測試常見缺陷及分析
2.1 破片
組件中的破片多出現在焊接和層壓工序，EL測試圖如圖2所示。
圖2 破片EL測試圖
2.2 隱裂
太陽能電池所采用的硅材料脆度較大，因此在電池片生產和組件封裝過程中很容易產生裂片。裂片分兩種一種是顯裂，一種是隱裂。顯裂是肉眼可直接看到，在制作組件之前就可以剔除；而隱裂則不行，并且在組件制作過程中更容易產生碎片等問題。
通過EL測試圖就可以觀測到，如圖3所示，由于單晶硅（100）面的解離面是（111），因此單晶電池的隱裂一般沿著硅片的對角線方向的“X”裝圖形。但是由于多晶硅片存在晶界的影響有時很難區分晶界與隱裂，見圖4區域。
圖3 單晶隱裂EL測試圖
圖4 多晶隱裂EL測試圖
2.3 斷柵
斷柵主要是由與電池片本身柵線印刷不良和焊接過程造成的。從EL測試圖中可以看出顯示為黑線狀，這是因為在柵線斷掉后，從主柵線上注入的電流在斷柵附近電流密度很小甚至沒有，從而導致EL發光強度下降或不發光。
圖5 斷柵EL測試圖
2.4 燒結缺陷
一般而言，燒結參數沒有優化或設備存在問題時，EL測試圖上會顯示網袋印（圖6）。采用頂針式或斜坡式的網袋則可有效消除網袋問題，圖7是頂針式燒結爐里出來的電池，圖中的黑點就是頂針的位置。
2.5 黑心片
圖8就是我們一般所說的“黑心”片的EL測試圖。在圖中我們可以清晰的看到漩渦缺陷，它們是點缺陷的聚集，產生于硅棒生長時期。此種材料缺陷勢必導致硅的少數載流子濃度降低，降低該區域的發光強度。
圖8 黑心片EL測試圖
2.6 電池片混擋
一塊組件的EL測試圖中有部分電池片發光強度較弱（圖9），由于這些電池片的電流或電壓分檔與該組件中大部分電池片不一致造成的。
圖9 混擋EL測試圖
2.7 電池片電阻不均勻
EL測試電池表面發光強度不均勻(圖10)，這是由于電阻不均勻引起的, 較暗區域一般串聯電阻較大。這種缺陷能反應少子壽命的分布情況，缺陷部位少子躍遷機率降低，故電致發光圖片上顯現為暗色。
圖10 電池電阻不均勻EL測試圖
3 結論
電致發光（Electroluminescence ,EL）的檢測方法，利用電致發光原理對晶硅太陽電池及組件做了近紅外成像測試，通過EL測試圖迅速地檢測出了太陽電池及組件中可能存在的缺陷，是一種有效的檢測電池、組件的方法。EL測試在太陽電池及組件質量分析和控制發揮越來越重要的作用。
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] 鄭建邦，任駒，郭文閣等. 太陽電池內部電阻對其輸出特性影響的仿真[J].太陽能學報,2006,27(2):121-125
0 條