全自動光伏組件缺陷測試設備的設計

何紀發，賴其濤

(紹興宏邦電子科技有限公司，浙江紹興 312000)

目前超過90%的工業化太陽能電池組件采用絲網印刷、高溫燒結、互聯、層壓封裝等生產工藝。絲網印刷的機械應力、高溫燒結的熱應力、焊接的熱應力、層壓封裝的機械應力等都會造成組件的工藝缺陷。據估計，每條組件生產線每年由于缺陷帶來的直接經濟損失約為60萬美元。因此，有效的缺陷檢測手段和設備對提高工藝質量非常重要。

太陽能電池組件隱陷測試是用于監測和研究太陽能電池生產過程中各種缺陷的專用測試儀器。太陽電池的電致發光亮度正比于少子擴散長度，因此太陽電池電致發光圖像直觀地展現出了太陽電池擴散長度的分布特征。通過對圖像的分析，我們可以有效地發現太陽能電池組件在絲網印刷、高溫燒結、互聯層壓及搬運等各個環節可能存在的問題。這對改進工藝、提高效率和穩定生產都有重要的作用，因而太陽電池電致發光檢測儀被認為是太陽電池生產線的“眼睛”。本文介紹的測試儀可測量隱裂片、破片（明裂片）、暗片（混檔片）、黑芯片、斷柵、短路、過刻、污染、低效片、正負極接反等缺陷。

1 電致發光原理

同半導體中的電子可以吸收一定能量光子而被激發一樣，處于激發態的電子也可以向較低的能級躍遷，以光子輻射的形式釋放出能量。即電子可從高能級向低能級躍遷，并伴隨著發射光子的現象。太陽電池本質上是以半導體為基底材料制成的大面積p 一11 結，在其處于平衡狀態時，內部存在一定的勢壘區。如加正向偏壓，勢壘便降低，勢壘區內建電場也相應減弱。這樣原來的載流子平衡被打破，繼而發生載流子的擴散，即電子由n 區注入p 區，同時空穴由p 區注入到I"1 區。這些進入p 區的電子和進入g 區的空穴都是非平衡少數載流子，遇到原區域的多數載流子會復合發光。這就是半導體電致發光(EL)現象，又稱場致發光。

在太陽電池中，少子的擴散長度一般遠遠大于勢壘寬度，因此電子和空穴通過勢壘區時囚復合而消失的幾率很小，它們絕大部分都繼續向擴散區擴散。因此在正向偏壓下，p-n 結勢壘區和擴散區被注入了少數載流子。這些非平衡少數載流子不斷與多數載流子復合發出光子。

2 測試設備的結構及測試流程

測試設備由全封閉的暗室、自動傳輸機構、自動定位探針臺、高分辨率紅外相機、電源系統、計算機圖像處理單元機人機交互單元組成，具體結構見圖1。

測試流程：開始→軟件初始化→開啟傳動機構進料→自動探針臺定位→開恒流恒壓源→EL測試→測試完畢→自動分檔→放下探針→開啟傳動機構出料。

3 幾種典型的組件缺陷分析

圖1 測試設備的結構圖

在生產過程中，太陽電池組件需歷經電池檢測、正面焊接、背面串接、敷設、層壓、去毛邊、裝框、焊接線盒、組件測試等關鍵工藝。在此過程中產生了種種影響組件發電效率、使用壽命及可靠性的缺陷，下面一一給出檢測效果并做簡單分析。

3.1 單晶和多晶隱裂片

隱裂缺陷主要由組件層壓和固化工藝過程引起，焊錫、串聯等工藝及硅片的彎曲和扭曲都會造成電池片的裂紋（見圖2、圖3）。

圖2 單晶隱裂片

圖3 多晶隱裂片

單晶隱裂片的特點：（1）裂紋多為直線狀；（2）多從倒角、崩邊、V型缺角處開始。

多晶隱裂片的特點：（1）裂紋多為葉脈交織狀；（2）起始位置不確定，但多從重點受力處開始。

3.2 破片

破片缺陷主要由于搬運、層壓及測試燈環節引起的硅片破裂，破裂導致電池組件功率直接損失甚至報廢（見圖4、圖5）。

圖4 單晶破片

圖5 多晶破片

破片的特點：電池片有肉眼可視裂紋。

3.3 暗片

暗片缺陷降低組件整體功率，I-V曲線有臺階可能導致熱板效應，造成熱擊穿影響組件（系統）安全（見圖6）。

圖6 暗片缺陷

暗片的特點：組件EL 圖像中有明顯的明暗亮度。

3.4 斷柵

斷柵缺陷可能是絲網印刷參數沒調好或絲網印刷質量不佳，也可能是硅片切割不均勻，在30 μm 尺度可能出現斷層現象（見圖7）。

圖7 斷柵

斷柵的特點：電池細柵線處有條帶狀暗黑色條紋。

3.5 短路

短路缺陷可能是在焊錫、串聯過程中由于工藝問題導致正負極直接相連，也可能是在層壓等環節帶入的雜物導致正負極相連（見圖8）。

圖8 短路

短路缺陷電池片的特點：整片發黑。

3.6 污染

污染缺陷可能是太陽能電池組件在生產過程中由于工藝問題或者是工藝夾具問題導致太陽能電池片產生污染（見圖9）。

圖9 污染

污染缺陷的特點：有整片的不規則黑色區域，與燒結缺陷比較類似，所以在實際生產中應該加以區別。

4 設備技術參數

組件類型：多晶和單晶；

最大可測組件尺寸：2000 mm×1000 mm；

可測組件類型：隱裂、污染、燒結缺陷（波浪網紋）、材料缺陷、斷柵、低效；

曝光時間：0.1～25.5 s；

像素：1 000萬；

系統最大測試速度：300 片/h。

電源：220 V(AC),10 A,單相，最大功率600 W

傳輸速度：11.5 m/s

環境(溫度和濕度) ：10～30℃，20%～70%

5 結論

利用電致發光原理對多晶硅太陽電池片做了近紅外成像實驗，并對各種缺陷的電池組件進行了試驗，歸納了各種缺陷的特點，驗證了設備對各種缺陷的可識別性。并且本設備采用了全自動傳輸和測試機構，提高了測試效率。

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