浙江正泰太陽(yáng)能科技公司 ■ 周長(zhǎng)友 呂建黨 朱鑫

0 引言

電致發(fā)光(EL)成像技術(shù)普遍應(yīng)用于晶硅電池工業(yè)化生產(chǎn)中的缺陷檢測(cè)，利用紅外檢測(cè)方法，通過(guò)CCD采集圖像可以檢測(cè)出晶體硅電池中存在的隱性缺陷，如隱裂、斷柵、虛焊、電阻不均勻等。由于這些缺陷的存在嚴(yán)重影響了太陽(yáng)電池的轉(zhuǎn)化效率和使用壽命，帶來(lái)的直接經(jīng)濟(jì)損失數(shù)額巨大，因此，快速解決檢測(cè)問(wèn)題，有效的檢測(cè)手段十分必要[1]。

現(xiàn)在EL普遍在晶體硅電池生產(chǎn)線上應(yīng)用，并形成了一套檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、工作流程等。由于非晶硅電池的生產(chǎn)工藝與晶體硅電池完全不同，鮮有文獻(xiàn)報(bào)道EL用于非晶硅電池缺陷的檢測(cè)和在產(chǎn)線上應(yīng)用。本文利用EL設(shè)備對(duì)非晶硅電池進(jìn)行檢測(cè)，有效檢測(cè)電池中存在的各類缺陷，進(jìn)一步研究缺陷對(duì)電池功率、FF等各項(xiàng)電學(xué)參數(shù)的影響，指出EL技術(shù)在晶體硅與非晶硅電池檢測(cè)中的差別，以及如何進(jìn)行非晶硅電池EL測(cè)試的優(yōu)化，并指導(dǎo)在產(chǎn)線上的應(yīng)用。

1 電致發(fā)光原理

電致發(fā)光(Electroluminescent)，簡(jiǎn)稱EL。在太陽(yáng)電池中，少子的擴(kuò)散長(zhǎng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于勢(shì)壘寬度，因此電子和空穴通過(guò)勢(shì)壘區(qū)時(shí)因復(fù)合而消失的幾率很小，繼續(xù)向擴(kuò)散區(qū)擴(kuò)散；在正向偏壓下，p-n結(jié)勢(shì)壘區(qū)和擴(kuò)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(fù)合而發(fā)光，這就是太陽(yáng)電池電致發(fā)光的基本原理[2]。利用近紅外成像系統(tǒng)將太陽(yáng)電池發(fā)射的光成像，并經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)軟件處理后將太陽(yáng)電池的EL圖像顯示在屏幕上。太陽(yáng)電池EL測(cè)試原理圖如圖1所示，電致發(fā)光的波長(zhǎng)范圍在800～1300 nm，峰值為1150 nm，屬于紅外光，硅電池EL光譜[3]如圖2所示。

太陽(yáng)電池的電致發(fā)光亮度正比于少子擴(kuò)散長(zhǎng)度，正比于電流密度[3-5]。通過(guò)EL圖像的分析可有效地發(fā)現(xiàn)硅片、電池片和組件生產(chǎn)各個(gè)環(huán)節(jié)可能存在的問(wèn)題，對(duì)改進(jìn)工藝、提高效率和穩(wěn)定生產(chǎn)都有重要的作用，因而太陽(yáng)組件缺陷測(cè)試儀太陽(yáng)電池電致發(fā)光測(cè)試儀被認(rèn)為是太陽(yáng)電池生產(chǎn)線的“X-ray”?，F(xiàn)在EL普遍在晶體硅電池生產(chǎn)線上應(yīng)用，并形成了一套檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)、工作流程等，國(guó)內(nèi)鮮有報(bào)道EL在非晶硅生產(chǎn)線上的應(yīng)用。

圖2 硅電池EL光譜[3]

2 非晶硅組件EL實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)樣品為非晶硅CHSM5011T組件(Pmax=140 W、Voc=170 V、Isc=1.25 A)和 CHSM5031T 組 件(Pmax=140 W、Voc=70 V、Isc=2.8 A)，均在某公司140萬(wàn)像素雙相機(jī)EL設(shè)備上進(jìn)行測(cè)試。

實(shí)驗(yàn)中，使用直流穩(wěn)壓電源對(duì)太陽(yáng)能組件施加正向偏壓及恒流供電，在室溫25℃的暗室里拍攝紅外圖像。為減少噪聲，控制增益大小，清晰的圖像除與電流密度有關(guān)外，還與曝光時(shí)間有關(guān)。

圖3為5011T組件在不同電流與不同時(shí)間組合的EL圖像清晰度示意圖，清晰圖像的電流與時(shí)間之積可看做一個(gè)變量，如虛線所示。電流大和時(shí)間長(zhǎng)易造成圖像曝光過(guò)度，同時(shí)電池內(nèi)部發(fā)熱，溫度增大，而溫度對(duì)EL檢測(cè)有一定影響，電池片內(nèi)部的缺陷對(duì)溫度比較敏感[6]。非晶硅組件流水線生產(chǎn)，需選擇合適的時(shí)間以提高效率。

圖3 不同電流與時(shí)間的非晶硅組件EL圖像

對(duì)于太陽(yáng)電池EL測(cè)試，一般晶體硅電池EL電流密度為40 mA/cm2，即輸入6～8 A恒流、1倍Isc、電壓約45 V。但非晶硅薄膜組件EL測(cè)試在實(shí)際操作中通1倍Isc未得到清晰的圖像。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，5011T組件通3 A電流，5031T組件通5 A電流，均為2倍Isc，電流密度達(dá)到20 mA/cm2、電壓約200 V。晶硅EL曝光時(shí)間為4 s，而非晶硅宜選擇15 s。同一電流與時(shí)間測(cè)得的3塊組件，由于組件內(nèi)部電池膜層的電阻率分布不一致，不同組件明暗有一定差別，即便同一塊組件也有明暗分布。

非晶硅薄膜組件EL圖像中，常有暗斑呈現(xiàn)，如圖4所示。當(dāng)暗斑呈現(xiàn)為一個(gè)點(diǎn)黑，則有可能與生產(chǎn)車間的灰塵、激光劃線產(chǎn)生的碎屑有關(guān)；另外，當(dāng)組件在戶外暴曬被遮擋時(shí)，由于熱斑造成內(nèi)部p-n結(jié)損傷，再經(jīng)EL檢測(cè)也會(huì)產(chǎn)生暗斑。圖4a中，經(jīng)過(guò)嚴(yán)格管控組件在層壓過(guò)程中的灰塵潔凈度，后續(xù)生產(chǎn)的組件在測(cè)試中基本消除類似暗斑。

當(dāng)暗斑旁伴隨有亮點(diǎn)產(chǎn)生，表現(xiàn)為一段線黑，這是漏電的典型特征，一般與激光劃線有關(guān)。有的EL圖像中大面積黑斑即面黑，則與膜面破損有關(guān)，如圖4c，此時(shí)應(yīng)盡力減少生產(chǎn)過(guò)程中人為造成的膜面損傷，以及控制膜面在空氣中暴露的時(shí)間。

另有一類暗斑在組件邊緣，如圖5a、5b所示，特征為由外向里滲透。這主要是由于層壓不良導(dǎo)致濕氣從玻璃間滲透進(jìn)入，此類暗斑在濕熱DH實(shí)驗(yàn)中常常出現(xiàn)。如圖5c所示，當(dāng)用手電照射經(jīng)過(guò)1000 h DH實(shí)驗(yàn)后的組件邊緣時(shí)，可清晰看到白條紋。

經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)分析，正常的組件暗斑量很少，可忽略不計(jì)，對(duì)組件的性能不會(huì)產(chǎn)生影響；但當(dāng)暗斑數(shù)量眾多時(shí)，組件性能受到影響；特別是多種因素造成組件暗斑形成片狀，組件的輸出功率會(huì)大幅下降，以至于組件成為次品或報(bào)廢品。如圖4和表1所示，表1中組件1為正常組件數(shù)據(jù)，組件2和組件3因漏電和膜面破損，F(xiàn)F、效率、P、Voc、Isc、Rsh均有下降，而Rs在增大。漏電與膜面破損促使串聯(lián)電阻增大、并聯(lián)電阻減小影響太陽(yáng)電池的正向伏安特性，各項(xiàng)參數(shù)下降明顯，這與文獻(xiàn)[6]的仿真結(jié)果相符。

圖4 非晶硅組件EL圖像中的暗斑

圖5 因濕熱滲透形成的邊緣暗區(qū)

表1 與圖4相應(yīng)的組件參數(shù)

在非晶硅EL檢測(cè)中，暗斑的性質(zhì)判定及量化仍需大量樣本深入研究。

圖6為EL在串并結(jié)構(gòu)的薄膜組件5031T中的應(yīng)用。圖6a為正常組件EL圖像，圖6b因內(nèi)部焊帶部分未接觸原因，1/3電池面全黑，僅有正常組件2/3的功率。此類組件經(jīng)過(guò)EL圖像檢測(cè)后，通過(guò)修復(fù)可使組件恢復(fù)正常。

圖6 串并結(jié)構(gòu)的非晶硅組件EL圖像

在基于Matlab對(duì)EL圖像的暗斑統(tǒng)計(jì)工作中，因圖像為兩相機(jī)采集數(shù)據(jù)的圖片拼接而成，造成圖像拼接處錯(cuò)位且較暗淡，在去噪、中值濾波、canny算子邊緣檢測(cè)中，常常因拼接附近的暗區(qū)淹沒(méi)暗斑，給處理上帶來(lái)很多不便。后采用830萬(wàn)像素單相機(jī)拍攝的EL如圖7所示，不僅可消除中間的線，而且圖像更清晰，方便暗斑統(tǒng)計(jì)。一般市場(chǎng)上提供140萬(wàn)、610萬(wàn)、830萬(wàn)等多種像素的紅外相機(jī)，用戶可根據(jù)不同的需要配置，而非晶硅宜采用高像素紅外相機(jī)。

圖7 不同像素EL圖像細(xì)節(jié)對(duì)比

3 EL測(cè)試在組件生產(chǎn)中應(yīng)用

EL檢測(cè)設(shè)備在組件生產(chǎn)線上應(yīng)用有較多的研究文獻(xiàn)[7-8]，通過(guò)成像檢驗(yàn)產(chǎn)品的質(zhì)量，對(duì)次品進(jìn)行挑選和修復(fù)；然而在非晶硅薄膜組件產(chǎn)線上尚未應(yīng)用，相關(guān)技術(shù)不成熟。晶體硅EL測(cè)試與非晶硅薄膜組件EL測(cè)試的主要差別在于：

1)晶體硅組件由36片或60片等電池片串聯(lián)組成，而非晶硅薄膜組件是由鍍膜后激光刻線劃開(kāi)的很多節(jié)(128或159節(jié)等不同規(guī)格)條狀小電池串聯(lián)或串并聯(lián)組成；

2)晶體硅組件EL圖像看到清晰的主柵線和副柵線，而非晶硅薄膜電池EL圖像看到激光刻線，生產(chǎn)工藝的不同決定了前者關(guān)注柵線的生產(chǎn)質(zhì)量，后者關(guān)注激光刻線的質(zhì)量；

圖8 幾種晶體硅EL圖像

3)晶體硅組件EL圖像可看到電池片的隱裂、斷柵、花片等癥狀，而非晶硅組件無(wú)這些癥狀；

4)兩者均可看出因電阻不均或漏電等造成的明暗差異和暗斑黑區(qū)。

通過(guò)上述圖像分析及與晶體硅EL測(cè)試特點(diǎn)的對(duì)比，非晶硅EL檢測(cè)有其獨(dú)特的特點(diǎn)。

非晶硅組件EL圖片暗斑可能因鍍膜均勻性、激光刻線、電池膜面損壞、TCO腐蝕等多種原因引起，其中激光刻線工藝質(zhì)量決定電池片之間串聯(lián)和漏電，而漏電可通過(guò)相應(yīng)儀器shunt repair進(jìn)行修復(fù)，因此兩者可在產(chǎn)線上聯(lián)合使用。非晶硅組件層壓封裝前，可在流水線上自動(dòng)化測(cè)試。由于非晶硅組件EL時(shí)發(fā)出的光比晶硅組件微弱，檢測(cè)需使用像素更高的紅外相機(jī)，單相機(jī)拍出的EL圖像可消除雙相機(jī)相片拼接帶來(lái)的影響，有利于后期軟件智能化識(shí)別缺陷。

通過(guò)傳送帶以及接觸電極、線路開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)和電氣自動(dòng)化控制，非晶硅組件在封裝前可在生產(chǎn)流水線上自動(dòng)化檢測(cè)，如圖9所示。鑒于EL的檢測(cè)作用，非晶硅EL檢測(cè)設(shè)備適宜安裝在生產(chǎn)線末端、薄膜組件膜面激光刻蝕之后、組件封裝之前。在產(chǎn)線上，EL作為一種檢測(cè)手段，可對(duì)鍍膜、電池節(jié)漏電等起到監(jiān)控作用，也可與其他設(shè)備(如太陽(yáng)能模擬器、shunt repair等)聯(lián)合應(yīng)用進(jìn)行生產(chǎn)質(zhì)量檢測(cè)，以達(dá)到提高組件性能的目的。

圖9 非晶硅組件在線檢測(cè)示意圖

4 總結(jié)

本文對(duì)EL在非晶硅電池、組件中的缺陷檢測(cè)進(jìn)行了研究。指出相對(duì)于晶體硅電池組件EL缺陷檢測(cè)，非晶硅電池EL缺陷檢測(cè)有其特殊性：測(cè)試電流密度小、測(cè)試時(shí)間長(zhǎng)，直流穩(wěn)壓電源輸出電壓高；需高像素的紅外相機(jī)以達(dá)到圖像清晰、細(xì)節(jié)分明的效果。在產(chǎn)線上，EL設(shè)備可對(duì)薄膜組件自動(dòng)化測(cè)試，并結(jié)合其他相關(guān)設(shè)備有利于提高組件質(zhì)量、性能。

[1] 肖嬌, 徐林, 曹建明,等.缺陷太陽(yáng)電池EL圖像及伏安特性分析[J].現(xiàn)代科學(xué)儀器, 2010，(5): 105－108.

[2] 劉恩科, 朱秉生, 羅晉生,等.半導(dǎo)體物理學(xué)[M].西安: 西安交通大學(xué)出版社, 1998.

[3] 王超, 蔣曉瑜, 柳效輝.基于電致發(fā)光成像理論的硅太陽(yáng)電池缺陷檢測(cè)[J].光電子·激光, 2011, 22(9): 1332－1337.

[4] Wurfel P, Trupke T, Puzzer T, et al.Diffusion lengths of silicon solar cells from luminescence images[J].Journal of Applied Physics, 2007, 101(12): 123110.

[5] Fuyuki,kondo H,Yamazaki T,et al.Photographic surveying of minority carrier diffusion length in polycrystalline silicon solar cells by electroluminescence[J].Applied Physics Letters, 2005, 86:(26): 262108－262108－3.

[6]鄭建邦, 任駒, 郭文閣, 等.太陽(yáng)電池內(nèi)部電阻對(duì)其輸出特性影響的仿真[J].太陽(yáng)能學(xué)報(bào), 2006, 27(2): 121－125.

[7] 王楠.太陽(yáng)能電池板破損在線檢測(cè)系統(tǒng)的研究[D].保定:河北農(nóng)業(yè)大學(xué), 2011.

[8] 楊暢民, 張豪, 黃國(guó)鋒.電致發(fā)光成像在晶體硅電池和組件質(zhì)量監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].中國(guó)建設(shè)動(dòng)態(tài): 陽(yáng)光能源，2009，(6): 42－43.