晶體硅組件電致光（EL）檢測應用及缺陷分析

摘 要：面對日益嚴重的生態環境和傳統能源短缺等危機，光伏組件制造行業迅猛發展，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經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，文章基于電致發光（Electroluminescence）的理論，介紹利用近紅外檢測方法，可以檢測出晶體硅太陽電池及組件中常見的隱性缺陷。主要包括：隱裂、黑心片、花片、斷柵、短路等組件缺陷，同時結合組件測試過程中發現的缺陷對造成的原因加以分析總結。

關鍵詞：太陽能電池；組件；電致發光；缺陷分析；檢測

1 概述

隨著社會對綠色清潔能源的需求量急劇飆升，我國的組件生產量將進一步擴大，2010年中國太陽能電池產量達10673MW，占世界總額的44.7%，位居世界前列。缺陷檢測是太陽能電池組件生產制備過程中的核心步驟，因硅電池單元一般采用硅棒切割生產，在生產過程中容易受到損傷，產生虛焊、隱裂、斷柵等問題，這些問題對電池的轉換效率和使用壽命有著嚴重的影響，嚴重時將危害組件甚至光伏發電系統的穩定性[1]。為了提高組件的效率及合格率，并能夠針對各生產環節中產生的缺陷情況及時調整維護生產設備，需配備大量的在線缺陷檢測設備。電致發光（EL）檢測由于其質量高、成本低、且能快速、準確識別出組件電池單元常見缺陷等特點，在組件封裝生產環節中得到了廣泛應用，該檢測應用對整個光伏產業具有深刻意義和重大價值[1]。

2 電致發光（EL）測試原理

在太陽能電池中，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[2]。

太陽能電池電致發光（Electroluminescence）測試，又稱場致發光測試，簡稱EL測試。其原理是，通過對晶體硅太陽能電池外加正向偏壓，模擬實際使用中太陽光照射在電池組件上產生的等效直流電流，給單片電池片通入1-40mA的正向電流，電源便向電池注入大量非平衡載流子，作用于擴散結兩邊，電能把處于基態的原子進行激發，使其處于激發態，由于處于激發態的原子不穩定，進行自發輻射，這樣，電致發光依靠從擴散區注入的大量非平衡載流子不斷地復合發光，放出光子，通過濾波片的作用及底片的曝光程度來了解在自發輻射中本征躍遷的情況，利用CCD相機捕捉到這些光子，利用少子壽命、密度與光強間的關系，即太陽能電池的電致發光亮度正比于少子擴散長度，正比于電流密度，再通過計算機處理后顯示出來[3]，如圖1所示[4]。這樣，從底片的曝光程度就可以判斷硅片中是否存在缺陷。

由于本征硅的帶隙約為1.12eV，可以計算出晶體硅太陽能電池的帶間直接輻射符合的EL光伏的峰值應該在1150mm附近，所以EL測試的光屬于近紅外光（NIR）。這些光線只有在不受外光（即太陽能、可見光、紅外線、紫外線等）干擾下才能被紅外光學相機捕捉到，這就要求整個組件發光只有在暗箱狀態下才能被相機捕捉，因而，整個EL測試過程是在一個不會被外光干擾的暗箱中進行的[5]，只有這樣可以準確地判別電池片或組件是否存在缺陷，否則將會對產品的性能產生重大影響。

3 晶體硅組件缺陷分類及常見缺陷分析

在日常來料檢驗過程中，通過對電池組件的EL測試，能夠合理有效控制由于工藝參數設置不當和人為因素引起的組件不良缺陷。大多數組件缺陷都是由于電池片及組件的生產工藝不合理及人為等外在因素造成的。晶體硅組件缺陷主要包括：隱裂（裂紋）、破片、黑心片、黑團片、黑斑片、履帶片、斷線、穿孔、邊緣過刻、主柵線漏電、副柵線漏電、境界漏電、燒結缺陷、短路黑片、非短路黑片、網格片、過焊片、明暗片、局部斷路片、位錯、層錯、虛焊或過焊等多種，下面列舉晶體硅組件四種常見缺陷，分別從EL成像特點、原因形成等方面進行缺陷分析。

3.1 隱裂（裂紋片、破片）

（1）產生原因：電池片在生產制造過程中，由于在焊接或搬運過程中受到外力作用造成；電池片在低溫下沒有經過預熱在短時間內突然受到高溫后出現膨脹造成隱裂現象。（2）成像特點：由于單晶硅的解離面具有一定的規則，通過EL成像圖可以清晰地看到單晶硅電池片的隱裂紋呈現“x”狀圖形；多晶硅電池片由于晶界的影響有時很難區分是多晶硅的晶界還是電池片中的隱裂紋。裂紋片的成像特點是裂紋在EL測試下產生明顯的明暗差異的紋路（黑線）。如圖2、3所示。（3）組件影響：組件隱裂后，長時間運行會造成組件功率衰減；經過一段時間積累后，組件會出現熱斑現象，直接造成組件損壞。

3.2 黑心片（黑團片）

（1）產生原因：在直拉硅棒生產過程中，晶體定向凝固時間縮短，熔體潛熱釋放與熱場溫度梯度失配，晶體生長速率加快，過大的熱應力導致硅片內部位錯缺陷。（2）成像特點：黑芯或黑團片在EL成像圖中可以清晰的看到從電池片中心到邊緣逐漸變亮的同心圓，從而導致缺陷的部分在EL測試過程中表現為發光強度較弱或不發光。從而形成復合密集區，在通電情況下電池片中心一圈呈現黑色區域。如圖4、5所示。（3）組件影響：組件出現此缺陷后，長時間運行，會造成熱擊穿；在使用組件測試儀測試組件IV測試特性曲線時，測試曲線呈現臺階形狀；同時長時間運行會導致組件功率下降。

3.3 短路黑片（非短路黑片）

（1）產生原因：組件單串焊接過程中造成的短路；組件層壓前，混入了低效電池片造成；硅片使用上錯用N型片，無PN結，故EL成像為全黑；（2）成像特點：組件某個位置出現1塊或多塊電池片呈現全黑現象；（3）組件影響：會造成組件IV測試曲線呈現臺階，組件功率和填充因子都會受到較大影響。使被短路的電池片不能對外提供功率，整塊組件輸出功率降低，IV測試曲線最大功率下降。如圖6、7所示。

3.4 斷柵

（1）產生原因：電池片本身柵線印刷不良或電池片不規范焊接；絲網印刷參數設置不當或絲網印刷質量不過關；硅片切割不均勻，可能出現斷層現象；（2）成像特點：EL成像圖中電池片的斷柵處發光強度較弱或不發光；（3）組件影響：組件短路電流、并聯電阻、填充因子及效率均下降，而串聯電阻增大，開路電壓影響較小。如圖8、9所示。

4 結束語

通過對以上組件EL成像缺陷分析，可以看出太陽能電池電致發光（Electroluminescence）測試在短時間內就能確定太陽能電池及組件缺陷情況及其分布，通過EL成像可以快速準確測出太陽能電池及組件可能存在隱裂、破片、斷柵、黑芯片、黑團片、短路黑片等缺陷情況。通過對各自EL成像特點和影響分析，缺陷可以造成組件串聯電阻增大、并聯電阻減小、輸出功率降低及光電轉換率下降等不良問題。同時通過分析EL成像，也有助于完善和改進太陽能電池組件生產工藝，控制產品質量、提高組件成品率、避免生產過程中的浪費，對太陽能電池組件生產和檢測有著重要的指導意義。

參考文獻

[1]竇爭寶.基于EL圖像的太陽能電池組件缺陷在線檢測研究[D].杭州：浙江理工大學，2013.

[2]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.

[3]肖嬌，徐林.太陽電池缺陷EL檢測及電性能分析[J].上海計量測試，2011（3）：15-18.

[4]Y. Takahashi， Y. Kaji， A. Ogane，Y. Uraoka and T. Fuyuki，“-Luminoscopy- Novel Tool for theDiagnosis of Crystalline Silicon solar cells and Modules UtilizingElectroluminescence”[J].IEEE，2006：924-927.

[5]李娜，張志根，武耀忠，等.隱裂電池片在標準測試后的變化及分析[J].陽光能源，2011（3）：69-71.

作者簡介：王盛強（1978-），男，漢族，遼寧丹東人，本科，工程師，供用電技術專業，主要從事光伏系統集成及光伏產品質量管理工作。